Методические указания к практическим работам по курсу ''Перефирийные устройства'': Интерфейсы переферийных устройств

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Ю.И.Синицын

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ ПО КУРСУ “Периферийные устройства” ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

Оренбург 1998 1

ББК 32.97Я7 С-38 УДК 681.3 (075.8)

1 Интерфейсы накопителей на магнитных дисках 1.1 Общая характеристика Накопители на магнитных дисках (НМД) имеют хорошие показатели по скорости считывания, времени доступа, емкости и в основном используются для хранения системного программного обеспечения и больших массивов информации. Выделяют следующие основные типы НЦЦ : с жестким носителем с сервоповерхностью, с подвижными или фиксированными головками записи чтения, со сменным или фиксированным носителем; с жестким носителем винчестерного типа (НВМД); накопители на гибких МЦ (НГМД). В зависимости от скорости передачи и организации НМД для различных их типов применяются различные унифицированные зарубежные и отечественные интерфейсы. Стандартными методами записи являются модифицированные фазокодированные методы. Дальнейшее техническое совершенствование НМД различных типов направлено на увеличение емкости памяти при одновременном уменьшении диаметра диска. Это обеспечивается повышением продольной и поперечной записи (в том числе благодаря использованию поперечного метода записи ) и соответственно уъеличеним скорости передачи данных.

1.2 Интерфейс магнитного диска с сервоповерхностью Интерфейс СМД ( НМ МПК по КГ 84-85) служит для подключения НМД с жестким носителем с сервоповерхностью, с подвижными или фиксированными головками, со сменным или фиксированным носителем, диаметр которого составляет 356 и 200 мм, а также микропроцессорных контроллеров НМД. Международным аналогом интерфейса является стандарт SM 2. В устройствах с высокой плотностью дорожек механическая фиксация каретки и использование магнитных датчиков дорожек уже не могут обеспечить требуемой точности позиционирования. В этом случае используется конструкция с сервоповерхностью на одном из магнитных дисков. Сервоповерхность разделена на 4 кольцевых зоны: зона загрузки (подвода) МГ; внешняя защитная зона; внутренняя защитная зона; информационная зона. При позиционировании используется информационная зона, число 2

дорожек на которой на 1 больше, чем число цилиндров информационной части пакета магнитных дисков. На дорожках информационной зоны сервоповерхности записана однородная информация .например, все единицы. Запись четных дорожек смещена на половину периода записи нечетных дорожек. Информационная дорожка пакета дисков проходит посередине между границами четной и нечетной дорожек сервоповерхности. Поэтому при точной установке на цилиндр сигнал с магнитной сервоголовки должен быть равен 0. Для точного позиционирования необходимо обеспечить линейный режим подхода магнитной головки. Следящая обратная связь отрабатывает равенство нулю сигнала магнитной сервоголовки. Кроме того, есть возможность принудительного смещения блока МГ путем подачи внешнего сигнала смещения. Величина смещения может быть определена экспериментально путем записи всех единиц на информационную поверхность и контроля выходного напряжения с информационных МГ.

1.3 Интерфейс накопителя типа винчестер Для НМД винчестерского типа используются следующие международные стандарты интерфейсов. 1.3.1 ST506 и ST412 фирмы Seagate Technology. Интерфейсы обеспечивают скорость передачи данных 3 Мбит/с при модифицированной частотной модуляции (MFM ) и 7,5 Мбит/с при методе кодирования RLL (Run Length Limited). 1.3.2 Усовершенствованный интерфейс малых дисковых накопителей ESDI. Обеспечивает скорость передачи 10-15 М5ит/с и подключение накопителей емкостью до 760 Мбайт. Используется в основном в ПЭВМ IBM PC/AT с тактовой частотой 16 МГц и выше и IBM РС/386. 1.3.3 Интерфейс малых вычислительных машин SCSI. В отличие от последовательных интерфейсов ST506 и ESDI - это параллельный интерфейс, передающий одновременно байт данных. Скорость передачи - 32 Мбит/с или 4 Мбайт/с. Позволяет подключать через один кабель до 8 устройств. Интерфейс широко применяется в рабочих станциях и серверах фирм DEC, IBM и Sun Microsystem. 1.3.4 Интерфейс встроенных дисковых накопителей IDE. Представляет собой недорогую альтернативу интерфейсам ESDI и SCSI. Интерфейсные платы IDE стали включаться в состав системных плат персональных компьютеров. В отечественных вычислительных системах используется интерфейс малогабаритных накопителей на несменном магнитном диске с подвижными головками (ИМД-М), который предназначен для выполнения 3

необходимых операций между накопителями и контроллерами. Международным аналогом интерфейса является стандарт ST506 фирмы Seagate Technology. Передача сигналов осуществляется по функционально-разделенным линиям связи, при этом логической 1 соответствует низкий уровень, лог. О высокий. Линии интерфейса реализованы в двух отдельных кабелях: линии управляющих сигналов - в кабеле ХЗ, линии обмена данными и ответных сигналов - в кабеле XS. Линии электропитания и заземления реализованы в отдельных кабелях XI и Х4 соответственно. Максимальное число подключаемых к одному контроллеру накопителей - четыре. Накопители подключаются к контроллеру по схеме последовательного или радиального интерфейса. При последовательном соединении согласователь кабеля устанавливается только на последнем накопителе. Управляющие сигналы разделяются на следующие группы: - сигналы выбора накопителей и головки (ВН1...ВН4; ВГ1,ВГ2,ВГ4); - сигналы управления перемещением магнитной головки (НПР, ШАГ); - сигналы, управляющие операциями записи и воспроизведения (31Ю, УТЗ,+ВЗП/-ДЗП; +ДВС/-ДВС); - сигналы указания состояния накопителя (НГТ, НВН, ИНД, ДОО, ОЗП, ПЗН). Сигналы ВН1...ВН4 (лог. 1) используются для выбора в каждый момент времени одного накопителя. Сигналы ВГ1, ВГ2, ВГ4 (лог. 1) осуществляют выбор головок записи/воспроизведения выбранного накопителя, адрес которых задается в двоичной форме. Сигнал НПР определяет перемещение магнитной головки, если по линии ШАГ подаются импульсы для перемещения. При лог.1/лог.0 на линии НПР головка перемещается к/от центра диска. Сигнал ШАГ (импульс от 0 до 10 мкс) управляет перемещением магнитной головки на одну дорожку. Сигнал ЗПС позволяет осуществлять запись (лог. 1) или воспроизведение (лог. 0) данных, а также с помощью сигнала ШАГ осуществлять позицирование головок на новом адресе. Сигнал УТЗ (необязательный) используется для уменьшения тока записи при записи на внутренних дорожках, начиная с дорожки, указанной для конкретного типа НМД. Сигналы ДПЗ представляют собой дифференциальную пару и определяют переходы, которые должны быть записаны на диск. В случае модифицированного фазового (МФМ) кодирования необходимо предварительно проводить фазовую компенсацию (для опережающих и запаздывающих битов). Сигналы ДВС представляют собой дифференциальную пару и определяют переходы, вызывающие изменения магнитного потока (воз4

буждается по одному импульсу длительностью не менее 25 нс). Сигнал НГТ в состоянии лог. 1 ( вместе с сигналом ПЗН) означает готовность для записи, воспроизведения и поиска и действительность входных/выходных сигналов. При лог. О на линии НГТ запрещены запись, воспроизведение и поиск. Сигнал ИВН активизируется контроллером. Сигнал ИЦД вырабатывается на каждом обороте накопителя для указания начала дорожки (импульс длительностью на менее 150 мкс). Сигнал ДОО идентифицирует нахождение магнитной головки на дорожке 00. Сигнал ОЗП индицирует причины, вывивающие неправильную запись на диске. При его наличии запись и позицировавие запрещены. Сигнал ПНЗ (лог. 1) вырабатывается при достижении головкой выбранной дорожки в конце поиска. Линия ПЗН по получении первого импульса ШАГ устанавливается в лог. 0 с задержкой не более 11 мкс относительно его фронта. Функциональная организация. Особенности функциональной организации связаны с подачей импульсов ШАГ, осуществляемой в нормальном, алгоритмическом и буферном режимах. В нормальном режиме магнитная головка перемещается со скоростью поступающих импульсов, период следования которых должен быть не менее 3 мне. В алгоритмическом режиме (необязательном) генерируемые импульсы обеспечивают разгон двигателя в начале поиска с небольшой скоростью, затем достижение максимальной скорости и ее замедление недалеко от заданной дорожки. В буферном режиме (необязательном) вырабатывающие в контроллере импульсы (период их исследования лежит в диапазоне от 25 до 200 мкс) запоминаются в накопителе, а перемещение головок осуществляется автономно. Физическая реализация. Линии управления и обмена данными выполняются на основе витых пар или плоского кабеля с волновым сопротивлением 130+20 0м и 100+15 0м соответственно. Линии согласуются со стороны приемного конца. Согласующие элементы устанавливаются на входах приемников интерфейса. Длина линии связи не более 6м. Передатчики управляющих сигналов - схемы ТТЛ с открытым коллектором или аналогичные, допускающие ток не менее 40 мА и имеющие прямое напряжение не более 0,4 В при токе 40 мА. Приемники сигналов - схемы ТТЛ со следующими параметрами: 0 В< Uвых < 0,4 В при Iвых = 40 мА; 2,5 В < Uвых < 4,5 В при Iвых = 250 мкА. 5

1.4 Интерфейс накопителей с гибким магнитными дисками Интерфейс ИГМД распространяется на однодисковые и двухдисковые накопители на одностороннем и двухстороннем гибком МД диаметром 130 и 200 мм, предназначенные для работы в составе комплексов ЕС и СМ ЭВМ. Интерфейс ИГМД несовместим с интерфейсами по НМ МПК по ВТ 12-78 и MM СМ ЭВМ 010-77. Передача сигналов осуществляется по функционально разделенным линиям связи, при этом лог.1 соответствует низкий уровень, а лог. 0 - высокий. Максимальное число НГМД, подключаемых к одному контроллеру, равно четырем. Подключение НГМД к контроллеру осуществляется по магистральной или радиальной схеме. Все НГМД можно эксплуатировать с нормальной или удвоенной плотностью записи. Данный интерфейс дисководов, а также для односторонних и двухсторонних дисков. Сигнальные линии выполняются кабелем на основе витых пар или плоским кабелем с волновым сопротивлением 130+20 0м, согласуются на входах приемников интерфейса. Длина линии связи не превышает 5 м. Передатчики-схемы ТТЛ с открытым коллектором, допускающие ток не менее 40 мА, приемники сигналов - любые схемы ТТЛ.

2 Интерфейсы накопителей на магнитных лентах Накопители на магнитных лентах (НМЛ) являются устройствами с последовательным доступом к информации, характеризующимися большой емкостью и временем доступа, меньшими по сравнению со скоростями обмена информацией в НМД. Наибольшее распространение получили НМЛ на стандартной бо-бинной ленте, потоковые (ПНМЛ), кассетные со стандартными мини-кассетами (КНМЛ), типа "Картридж" (НМЛ-К). Бобинные НМЛ используют ленту шириной 12,7 мм, запись по девяти дорожкам поперек ленты (8-разрядный байт плюс 1 контрольный бит), бобины диаметром 267 мм (длина 730м), 216 мм (длина 365м), 178 мм (длина 183 м).Потоковые НМЛ применяются для загрузки и копирования файлов на стандартную ленту шириной 12,7 мм и поддержки ВЗУ на жестких НМД винчестерского типа. Кассетные НМЛ используют ленту шириной 6,35 мм (длиной от 45 до 180 м), 2 или 4 дорожки, скорости движения от 0,25 до 2,2 м/с. В стандартных КНШ1 применяются унифицированные ленты шириной 3,81 мм (длиной от 90 до 120 м); 1,2 (типичное число) или 4 дорожки; плотность записи от 63 до 390 бит/мм. Основные способы и соответствующие им плотности записи, используемые в настоящее время в НМЛ: без возврата к нулю (БВН,БВН -1) . 6

- до 32 бит/мм; фазовое кодирование и его модификации (ФК) -до 127 бит/мм; групповое кодирование (ГК) - до 246 бит/мм. В таблице 1 приведены основные унифицированные интерфейсы НМЛ.

Таблица 1 Тип НМЛ 1. Бобинные 2. Кассетные потоковые 3. Кассетные обычные 4. Накопители типа “Картридж”

Отечественный

Зарубежный

интерфейс

аналог

ИНМЛ, ИНМЛ-ФК/ГК ИНМЛ – П

IBM 360/370 IEEE-488, RS-488

ИКМЛ

RS-232C, RS-422

ИНМЛ-К

RS-232C,IEEE-488 QIC-02, IBM PS Q-bus

2.1 Интерфейс кассетных накопителей Интерфейс обеспечивает работу контроллера с КНМЛ, который использует любой способ записи, требующий для своей реализации не более двух дорожек записи. Информация поступает в КНМЛ и выдается из него в сформированном виде - в одинаковом для обоих направлений. Линии питания КНМЛ: +5В, силовая сеть, 0 логической сети, О силовой сети, 0 корпуса.

2.2. Интерфейс накопителей типа “Картридж” Интерфейс обеспечивает возможность подключения НМЛ, осуществляющих серпантинную запись и воспроизведение информации на МЛ шириной 6,3 мм в кассете типа "Картридж". Интерфейс предусматривает выбор одного из подключенных НМЛ, запись с одновременным контрольным воспроизведением информации, воспроизведение и стирание ранее записанной информации, перемещение МЛ в исходное состояние, выбор дорожки на МЛ. Сигналы передаются по функционально разделенным линиям, лог. I/O соответствует низкий/высокий уровень. Сигналы управления 7

вырабатываются в такой последовательности: блок головок перемещается на выбранную дорожку; устанавливается состояние маркеров; выполняется управление движением. Сигналы не контролируются во время перемещения блока головок (не более 3с), пуска носителя ( 0,3с), останова носителя ( не более 3с). Все сигналы состояния стробируются сигналом ВНК, при лог. 0 - останов носителя. Канал воспроизведения обеспечивает безошибочное чтение при отклонении периода переходов потока максимум на 37% от нормального значения. Канал не рассчитан на воспроизведение в направлении обратной записи. Номинальная скорость движения ленты соответствует 2,29м/с. В интерфейсе электропитания параметры источников обеспечиваются на соединителе накопителя. Наименование линии +5 В +12 В

Напряжение, В +5 0,25 +12 0,6

Ток, А 1 2

Порядок включения и выключения произвольный. При пуске ленты допускается потребление тока до 4 А от источника +12В при длительности пуска не более 300мс.

3 Интерфейс SCSI 3.1 Организация SCSI Протокол связи между устройствами и интерфейсом предполагает обращение к ним как к логическим устройствам с помощью набора команд, что устраняет проблемы аппаратной совместимости. SCSI содержит набор стандартных команд для устройств непосредственного и последовательного доступа, принтеров и др. Команды разделяются на обязательные, расширенные, дополнительные и определяемые изготовителем. Например, НИД воспринимается через интерфейс SCSI как усройство непосредственного доступа определенного объема, которое откликается на стандартные команды "Формат", "Чтение", "Запись". При этом на физическом уровне это может быть НМД, использующий различные методы кодирования (МFM, RLL) и различные интерфейсы, например, ST-506, ESDI. В накопитель встраивается SCSI-контроллер, который преобразует команды SCSI в управляющие сигналы, отвечающие требованиям аппаратуры. 8

В каждый момент времени логически связаны только два устройства. В соответствии с рисунком 1 и рисунком 2 показаны типовые конфигурации систем обработки данных на основе SCSI.

SCSI ПК

К . . .

ПУ

...

ПУ

ПУ

...

ПУ

К

К - контроллер ПУ - периферийное устройство Рисунок 1 - Соединение одного задатчика и нескольких исполнителей

SCSI ПК

К . . .

ПК

ПУ

...

ПУ

ПУ

...

ПУ

К

Рисунок 2 - Соединение нескольких задатчиков и исполнителей Взаимосвязь осуществляется по принципу "задатчик-исполнитель". Задатчик размешается в хост-машине, исполнитель - в ПУ. Задатчик 9

выполняет арбитраж магистрали и процедуру селекции. Исполнители могут запрашивать передачу команд, данных, состояния или другой информации по шине данных. В некоторых случаях исполнитель может выполнять процедуру арбитража или повторную выборку задатчика для продолжения операции. Основным механизмом при передаче данных по шине SCSI является режим квитирования (“Запрос-ответ”). Архитектура интерфейса SCSI допускает одновременное выполнение нескольких операций между различными устройствами. Это обеспечивается с помощью операций отсоединения устройства от шины (DISCONNECT) и повторного соединения (RECONNECT). В результате устройство может освободить шину на время выполнения длительной операции по подготовке данных, например, позиционирование головок НМД или перемотка ленты НМЛ. Логическая организация. Системные сообщения предназначены для организации управления физическими путями взаимосвязи между задатчиком и исполнителем. Все устройства выполняют сообщение "Полная команда". Передача логических наборов блоков данных фиксированной или произвольной длины производится с помощью команд. Несколько команд могут быть связаны в цепочку команд при использовании одного и того же логического устройства. Исполнитель может отсоединяться от магистрали для инициирования другого устройства, логический адрес которого получен в передаваемых данных. В завершение команды исполнитель посылает байт состояния в задатчик. Физический уровень организации интерфейса SCSI определяется характеристиками кабеля, наличие линий, типов разъемов и др. С целью предотвращения различных нежелательных эффектов в линиях передачи сигналов, например типа отражений сигналов или неравномерной нагрузки шинных драйверов, необходимо использовать терминаторы, роль которых обычно выполняют резисторы. Терминаторы устанавливаются на физических концах SCSI шины: в ее начале (обычно непосредственно внутри компьютера) и на последнем подсоединенном к SCSI-кабелю устройстве (обычно это встраиваемый ре-зисторный блок). Следует иметь в виду, что неправильное согласование SCSI- шины приводит либо к неустойчивой работе ПУ, либо к глобальному отказу на шине. Спецификация характеристик сигналов на SCSI-шине включает в себя описание задержек, минимальных длительностей импульсов и времени удержания сигналов. Однако разработчику практически не приходится заботиться о выполнении этих требований, поскольку большинство БИС контроллеров SCSI-шины автоматически выполняет все эти соотношения. В 10

качестве примера можно привести контроллеры А1С6250 фирмы Adaptec и 5380 или 5390 фирмы NCR, широко используемые в хост-адаптерах SCSI- шины фирм Adaptec и IBM и в машинах линии Macintosh соответственно.

3.2. Интерфейс SCSI-2 С 1986 года проводятся работы по версии SCSI-2. При этом преследовались две цели: сохранить совместимость сверху вниз с версией SCSI-1 и уточнить и расширить существующие функции. Было определено, что на физическом уровне питание терминаторов шины осуществляется задатчиком. Введена обязательная реализация всеми устройствами функций арбитража и контроля по четности. В части логической спецификации были приняты меры, направленные на достижение совместимости SCSI-устройств. Уточнен протокол синхронного обмена, увеличено число обязательных команд определена статуснная информация, с помощью которой можно корректировать файл. К числу нововведений SCSI-2 относятся расширение типов SCSIycтpoйств и введение соответствующих им команд; увеличение скорости обмена информацией в синхронном режиме до 10 Мбайт/с; введение дополнительного, так называемого "В"-кабеля, расширяющего информационный тракт с 8 до 16 или 32 бит. В версии SCSI-2 стандартизованы метод восстановления ошибок, а также коды ошибок. Так называемый "быстрый" режим стандарта SCSI-2 предполагает двукратное (до 10 Мбайт/с) увеличение скорости обмена по стандартной восьмиразрядной шине. Это достигается благодаря уплотнению вдвое временной диаграммы синхронного режима. Вариант так называемого "широкого" SCSI-2 предполагает использование дополнительного 68проводиого кабеля, включающего в себя дополнительные 24 линии данных, что позволяет реализовать 16- или 32-битые передачи. Таким образом, в предельном случае SCSI-2 обеспечивает скорость обмена 40 Мбайт/с. При этом возможна работа на одной мне устройств с разным быстродействием и неодинаковой шириной шины данных. В основном все нововведения SCSI-2 совместимы сверху вниз с версией SCSI-1, т.е. все существующие SCSI-1 устройства, выполненные строго по стандарту, могут работать на одной шине со SCSI -2 устройствами, искомая лишь расширенные функции протокола SCSI-2.

11

4 Универсальные интерфейсы ПУ общего назначения Наиболее широко используются базовые интерфейсы радиального двухточечного и магистрального многоточечного сопряжения устройств с параллельным и последовательным способами передачи информации. В таблице 2 приведены сведения об основных интерфейсах.

Таблица 2 Классификационный признак

Зарубежный

Отечественный

Параллельные двухточечного подключения

BS 4421

ИРПР

Centronics Последовательные двух- Current loop точечного подключения RS-232C

Последовательные многоточечного подключения

RS –422 RS –423 RS -485

Область применения

УВВ алфавитно-цифровой информации ИРПР-М Локальная и межсистемная связь ИРПС

УВВ алфавитно-цифровой информации Стык С2 Устройства межсистемной связи, кассеты НМЛ

Стык С2 То же

В настоящее время фактическим стандартом в ПЭВМ является интерфейс Centronics, обеспечивающий локальное радиальное подключение очень широкого круга устройств с параллельной передачей информации.

4.1 Интерфейс ИРПР Интерфейс для радиального подключения устройств с параллельной передачей информации (ИРПР) предназначен для реализации сопряжения УВВ общего назначения (старт-стопных, синхронных, с буфером или без буфера) в мини- и микроЭВМ. Интерфейс ИРПР обеспечивает единые способы обмена информация для различных УВВ при работе с контроллером, при непосредственном 12

соединении двух УВВ, удаленных друг от друга на расстояние до 15м, и может быть использован при построении сосредоточенных модульных систем обработки данных. При передаче данных нет ограничений в отношении комбинации сигналов на линиях данных. В устройствах может быть использовано меньшее число разрядов данных. Контрольные разряды КТ0 и КР1 явля-

ются необязательными и определяются для каждого конкретного устройства. Эти разряды дополняют соответствующий байт до нечетности. Максимальное число сигналов состояния от И или П равно восьми. Они выдаются аналогично данным и являются синхронными, однако в технически обоснованных случаях возможно использование асинхронных сигналов, которые могут изменить свое состояние в любой момент времени. Эти сигналы относятся к состояниям, не связанным непосредственно с передачей данных, и сохраняется на линиях в течение всего времени, пока существует соответствующее состояние. Обмен данными осуществляется в жестко обусловленном режиме "запрос-ответ". Все сигналы определяются на стороне устройствазадатчика. Устройство-исполнитель компенсирует разницу в задержании принимаемых сигналов. Физическая реализация. Электрические сигналы: сигналы на линиях соответствуют ТТЛ-уровню, используемая логика отрицательная; передатчик - интегральная микросхема (ИМС) с открытым коллектором с допустимым током нагрузки не менее 40 мА; приемник - ИМС с входным током не более 1,6 мА; линии связи однонаправленные с волновым сопротивлением кабеля (110+20) 0м; согласование с волновым сопротивлением кабеля обеспечивается на входе приемника. Конструктивные характеристики: соединитель и кабель связи с УВВ являются принадлежностью контроллера или системы; тип соединителя от УВВ и назначение его контактов указываются в документации на УВВ; ответная часть соединителя с УВВ поставляется с УВВ с указанием разводки в нем кабеля; тип соединителя для выхода на линии связи и назначение контактов соединителя не регламентируются.

4.2 Интерфейс ИРПР-М Интерфейс ИРПР модифицированный (ИРПР-М) обеспечивает радиальное подключение в основном печатающих устройств и других устройств с параллельной передачей информации к техническим средствам (ТО) с микропроцессорным управлением. Подключение ПУ к контроллеру или к другому ПУ осуществляется радиально посредством кабеля. Международным 13

аналогом ИРПР-М является широко распространенный в ПЭВМ интерфейс Centronics. Логическая организация. Передача данных осуществляется между одним источником и одним контроллером. Набор линий (сигналов) сопряжения, разделенных на три группы (заземления и питания, управления, информационные). Физическая реализация. Рекомендуемые 37-контактные соединители розеточного (гнездового) типа используются для соединения контроллера с устройствами, для которых допускаются розеточные 25-контактные соединители. При использовании стандартных ИМС типа К555, К155 (лог.1 от 2,4 до 5,25 В; лог. О от 0 до 0,4 В) длина кабеля - не более 1,8 м.

4.3 Интерфейс ИРПС Интерфейс для передачи информации между устройствами с радиальной последовательной связью (ИРПС) обеспечивает единые способы обмена информацией для различных УВВ ( старт-стропных, с буфером или без буфера) при работе с контроллером, при непосредственном соединении двух УВВ или двух контроллеров. Подключение УВВ осуществляется радиально посредством кабеля. Использование в качестве соединительных линий выделенных пар в многожильных телефонных кабелях допускается только при наличии специального разрешения. Интерфейс обеспечивает асинхронную передачу постоянным током (токовая петля) по 4-проводной дуплексной связи. В технически обоснованных случаях допустима и цепь взаимосвязи, указывающая состояние УВВ. Взаимосвязью называется соединение между контроллером и УВВ для передачи последовательных двоичных сигналов с регулярной скоростью, определяемой стандартом или соглашениями. Соединяемые оконечные устройства имеют гальваническое разделение, осуществляемое со стороны цепи взаимосвязи, которая не питается током. Номинальное значение изоляционного напряжения гальванического разделения - 500 В. Максимальная длительность фронтов сигналов в конце линии, нагруженной на характеристическое сопротивление, не превышает 50 мкс. Цепи взаимосвязи обеспечивают передачу сигналов со скоростью 9600 бит/с на расстояние от 0 до 500 м. При передаче на большие расстояния пропорционально понижается скорость передачи. Сигналы взаимосвязи должны приближаться к прямоугольной форме. Крутизна фронтов сигнала, измеряемых на выходных зажимах передатчика, нагруженного сопротивлением 100 0м, - не более 1 мкс. Схема источника сигнального тока выполняется так, чтобы отключение нагрузки и короткое замыкание выходных зажимов или одного из них на 14

землю не приводили к ее повреждению. Любое включение на приемной стороне (приемник) выполняется так. чтобы при длительной нагрузке максимально допустимым током цепи взаимосвязи оно не приводило к повреждению приемника. Параметры приемника следующие: падение напряжения, измеряемое на входных зажимах приемника, в состоянии 1 в цепи взаимосвязи - не более 5 В для телетайпа и 2,5 В для других устройств; входная емкость менее 10 пф; приемник работает независимо от крутизны фронтов в диапазоне 0. . . 50 мкс.

4.4 Последовательный интерфейс RS-232C Интефейс является наиболее широко применимым для синхронной и асинхронной связи оконечного оборудования данных (ОДД) с модемом или аппаратурой передачи данных (АПД) при двухточечном соединении ПУ в полудуплексном и дуплексном режимах обмена. Его отечественным аналогом является стык С2. Скорость передачи данных составляет от 50 до 19200 бит/с. Рекомендуемая длина передающей линии составляет примерно 17м. При передаче используется уровни сигналов 12В. Рассмотрим функции отдельных выводов соединителя RS-232 в связном адаптере ПЭВМ IBM PC. Вывод 2. Передаваемые данные (-Т х D ): для случая ООД через этот вывод сигнал передается в последовательную линию данных. В АПД вывод 2 служит для приема данных (-R х D ). Вывод 3. Принимаемые данные (-R х D): для случая ООД через этот вывод сигнал принимается с последовательной линии. В ДПД вывод 3 служит для передачи данных (-Т х D ). Вывод 4. Запрос передачи (RTS ) - возбуждается передатчиком и остается активным до конца передачи. Вывод 5. Готов к передаче (CTS ) - используется приемником для информирования передатчика о своей готовности. Должен оставаться активным в процессе всей передачи. Если сигнал CTR переходит в неактивное состояние в середине передачи, то передатчик прекращает передачу и выдает сообщение об ошибке. Вывод 6. Передатчик готов (DSR ) - задает режим модема. Вывод 20. Приемник готов ( DTR ) - сигнал от терминала, указывающий, что последний находится в режиме взаимодействия с системой и связь возможна.

15

4.5 Способы соединения аппаратуры с интерфейса RS-232C

помощью

Идеальным и наиболее простым является соединение между компьютером и модемом в соответствии с рисунком 3 /3/ . Все 25 выводов соединителя ПК подключаются к имеющим те же номера выводам соединителя модема. В некоторых системах необходимо обмениваться данными между ПК и таким устройством АПД, у которого отсутствует линия квитирования, но быстродействие устройства достаточно высокое для приема символов, следующих с заданной скоростью. В соответсвии с рисунком 4 показано кабельное соединение для такой передачи. Когда компьютер возбуждает свою линию RTS , тогда переводится в активное состояние и его линия CTS. Когда активизируется линия DTR, то одновременно активизируется и его линии DSR и DCD. Таким образом имитируется готовность приемника.

16

IBM PC (ООД) ТхD RхD RTS CTS DSR DCD DTR RT SG PG

( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6) ( 8) (20) (22) ( 7) ( 1)

Модем (АПД) ( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6) ( 8) (20) (22) ( 7) ( 1)

TxD RxD RTS CTS DSR DCD DTR RT SG PG

Рисунок 3 – Соединение между ПК и модемом

IBM PC (ООД) ТхD RхD RTS CTS DSR DCD DTR SG PG

( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6) ( 8) (20) ( 7) ( 1)

Модем (АПД) ( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6) ( 8) (20) ( 7) ( 1)

TxD RxD RTS CTS DSR DCD DTR SG PG

Рисунок 4 – Соединение между ПК и модемом без квитирования

В компьютере IBM PC, используемого в качестве ООД, для передачи данных предназначается вывод 2, а для приема – вывод 3. В устройстве АПД, например, в модеме функции выводов 2 и 3 меняются местами.

5. Интерфейс программируемых приборов 5.1 Общая характеристика С целью стандартизации приборами фирма Hewllett-Packard разработала систему взаимосвязи и управления HPIB (Hewllett-Packard Interface Bus). На базе этой системы был создан стандарт GPIB (General Purpose Instrument 17

Bus) или IEEE-488. Затем эта система была доработана как международный стандарт МЭК 625-1. Отечественный аналог - приборный интерфейс по ГОСТ 26.003-80 или КОП ( канал общего пользования). Интерфейс в основном предназначен для соединения программируемых и непрограммируемых электронных устройств, применяемых в лабораторных или цеховых условиях, в которых используется битпараллельный, байт-последовательный асинхронный способ обмена информацией, и устанавливает основные требования к обмену цифровой информацией. Соединение устройств осуществляется через многопроводный магистральный КОП. Общая длина КОП не превышает 20 м. Число подсоединяемых к КОП устройств - не более 15. При этом не менее половины всех устройств должно находиться в состоянии " Питание включено". Общее число адресов источников и приемников информации в системе не должно превышать 31 при однобайтовой и 961 при двухбайтовой адресации. Интерфейс обеспечивает работу устройств: - на расстоянии до 20 м при максимальных скоростях 250 кбайт /с и 500 кбайт/с при использовании соответственно передатчиков с открытым коллектором и на три состояния с втекающим током не менее 48 мА; - на расстоянии до 1м при максимальной скорости 1000 кбайт/с при использовании передатчиков на три состояния с втекающим током не менее 48 мА. Особенностью интерфейса является отсутствие ограничений на конструктивную реализацию и способы построения устройств, а также на способы объединения их в систему. В стандарте определяется только пассивная магистраль, по которой происходит обмен информацией, синхронизация и управление. Все активные цепи, по которым выдают управляющую информацию и осуществляют прием и передачу информации, размещаются на печатных платах устройств. Сочетание активных цепей и магистрали, выполняемой обычно в виде кабеля того или иного типа, на каждом конце которого имеется двухсторонний разъем с винтовыми зажимами, образует собственно магистраль КОД Конструкция разъема обеспечивает установку одного разъема на другой, что позволяет собирать системы произвольной конфигурации: однолинейной, в виде звезды и т. д. По характеру взаимодействия с магистралью в стандарте выделяются четыре группы функциональных устройств: контроллер (К), источник (И), приемник (П), источник-приемник (ИП).

18

5.2. Логическая организация КОП В состав шины КОП входят 24 линии. На них по 8 линиям передается сигнальный нуль, причем 6 линий образуют витые пары с сигнальными шинами передачи данных для повышения помехоустойчивости. Наименование шин и линий приведено в таблице 3.

Таблица 3 Наименование Шина данных Шина синхронизации Готов к приему Данные приняты Сопровождение данных Шина управления Управление Конец передачи Запрос на обслуживание Очистить интерфейс Дистанционное обслуживание

Обозначение русское международное ЛД0 … ЛД7 ШС ГП ДП СД ШУ УП КП ЗО ОИ ДУ

DI01 … DI08 NRED NDAC DAV ATN EOI SRQ IFC REN

Шины данных (ШД) используются для передачи (приема) адресных, программных, управляющих, основных данных и данных о состоянии. Тип информации, передаваемой по ЩД, определяется состоянием линии УП. Период времени, в течение которого информация действительна на ЩД, зависит от наличия сигналов на линии СД. Шина синхронизации (ШС) управляет передачей информации по ЩД посредством трех линий: ГП, СД, ДП. Линия СД переводится в низкое состояние передающим устройством, указывая на достоверность байта на ЩД. Линия ГП управляется устройствами, адресованными на прием. Высокое состояние линии указывает, что приемники готовы к приему информации. Устройства, не адресованные на прием, должны постоянно поддерживать высокое состояние линии ГП. Линия ДП управляется всеми устройствами, когда линия УП имеет низкое состояние, или теми устройствами, которые адресованы на прием, когда линия УП имеет высокое состояние. Наличие сигнала на линии ДП (высокое состояние) указывает на конец приема информации приемниками. Шина управления (ШУ) используется для передачи управляющих 19

сигналов между К и другими устройствами с помощью линий УП,. КП, ОИ, ДУ, 30. Выдача сигналов на линию УП осуществляется только устройством, выполняющим в данный момент функцию К в системе. При высоком состоянии линии УП в обмене участвуют только устройства, которые были адресованы во время низкого состояния линии УП. На передачу может быть включено не более одного устройства, а на прием более одного устройства ( без ограничений). Линия КП устанавливается в низкое состояние передатчиком параллельно с передачей последнего байта данных, сигнализируя, что данных больше нет, а также устройством управления при реализации им параллельного опроса. Линия ОИ используется при запуске системы. Когда сигнал на ней переходит в низкое состояние, прекращается вся работа КОП и все устройства освобождают себя от адресов и переходят в состояние холостого хода. Линия ДУ (низкое состояние) разрешает переключение управления с "местного" на "дистанционное". При высоком состоянии линии ДУ устройство должно находиться в "местном управлении". Все сообщения, передаваемые через КОП, подразделяются на классы: интерфейсные сообщения, состояние устройств и сообщения устройств. Интерфейсные сообщения (команды) используются для управления функциями интерфейса Группа универсальных команд (ГУК) - команды, вызывающие соответствующее действие одновременно во всех устройствах. Группа адресных команд (ГАК) - команды, вызывающие соответствующее действие только в устройствах, запомнивших свой адрес. Группа адресов приемников (ГАП) - команды, используемые с целью включения определенных устройств для приема информации из КОД Группа адресов источников (ГАИ) - команды, используемые с целью включения определенного устройства для передачи информации в КОП и для включения любого другого устройства, уже работающего в качестве источника. Каждому приемнику (источнику) приписывается свой адрес, младшие 5 бит которого могут совпадать с аналогичными битами адреса его как источника (приемника). Группа вторичных команд (ГВК) - команды, используемые в качестве второго адресного байта при адресации устройства на прием или передачу. В устройстве, содержащем функции интерфейса "расширенный источник" (РИ) и "расширенный приемник" (РП), можно применять одинаковый вторичный адрес как для источника, так и для приемника. Сообщения устройств используются устройствами для обеспечения выполнения ими основной задачи. К сообщениям устройств относятся: программные данные (код типа функции, код значения функции) , основные данные. В системе допускается либо программировать устройства, либо 20

запускать устройство на выполнение какой-либо операции, а затем осуществлять связь с другими устройствами. Для осуществления связи через шину интерфейса независимо от состояния устройства и определения состояния "занято" имеется три метода: использование линии ГП, использование линии 30 и последовательный опрос, параллельный опрос.

5.3. Функциональная организация Каждое устройство может выполнять три класса функций: функции устройства, логику кодирования дистанционной информации, функции интерфейса. Функции устройства oпределяются областью применения и назначения устройства и не регламентируются. Кодирование дистанционной информации устанавливается в соответствии с кодами и форматами сообщений устройств, функции интерфейса - способность интерфейса к выполнению оговоренных операций при работе в системе. Каждая функция интерфейса реализуется аппаратно или программно в устройстве. Взаимодействие между функциями осуществляется с помощью следующих сообщений: дистанционных, проходящих между функциями устройства и определенной функцией интерфейса; местных, передаваемых между функцией устройства и функциями интерфейса. При необходимости местные сообщения передаются как дистанционные и наоборот. Запрещено вводить новые местные сообщения в функции интерфейса и разрешено вводить в функции интерфейса любые сообщения, полученные из любой функции интерфейса, находящейся в любом состоянии. Логическое соединение двух функций интерфейса, где переход в активное состояние одной функции интерфейса зависит от наличия оговоренного активного состояния другой функции интерфейса, является связью состояний. Особенности функций интерфейса: в отдельном устройстве необходима только одна из двух разновидностей функции - И (П), использующая однобайтовый адрес. Во всех других случаях возможности обоих вариантов одинаковые.

5.4 Коды и форматы Коды и форматы, используемые устройством определяют эффек-тивность его применения в системе.

21

Двоичный код 7 - битовый 5 - битовый 8 - битовый

Линия сигналов ЛД0 … ЛД7 ЛД0 … ЛД4 ЛД0 … ЛД7

Неиспользованные сигнальные линии должны посылать данные пассивными ложными. ЛД7 посылается пассивной ложной, если не используется для проверки на четность. В стандарте устанавливается набор двоичных битов кодов, используемых для каждого передаваемого байта (двоичный, уплотненные восьмиричный и шестнадцатиричный). Структура форматов сообщений: заголовок ( буквенный), тело (цифровое), окончание (ограничитель). Не обязательно, чтобы каждое сообщение содержало все три поля данных. Каждый из типов сообщений может содержать набор поля данных для различных видов применения устройств. Обычно в последовательности байтов данных заголовок служит для определения характера значения тела данных, представляемого в цифровом виде. При подготовке к выполнению функции устройства получают программные данные, зависящие от устройства, в соответствующем состоянии. Предпочтительным кодом для программных данных является код по ГОСТ 13052-74. Данные о состоянии посылаются из устройства с сообщением байта состояния (ЛД0 ... ЛД5, ЛД7) в ответ на последовательный опрос. Основной целью этого является представление критических суммарных данных состояния устройства в действующий контроллер. Достаточный уровень совместимости устройства достигается, когда линии ЛД используются в соответствии со следующим: ЛД7 (I/O)-расширено/ не расширено кодовое поле байта состояния; ЛД6 (I/O) - запрошено / не запрошено обслуживание; ЛД5 (I/O) - ненормальное/нормальное состояние; ЛД4 (I/O) - занято/готово; ЛД3. . . ЛД0- код, зависящий от устройства. Если устройство имеет только единственную причину для запроса обслуживания, эта причина может быть указана в бите соответствующего сообщения ОБЗ. Предусматриваются средства для смены потока данных: от программных данных к данным индикации (измерительным данным). При этом адреса приемников (первичные или вторичные) могут быть использованы для указания каждого типа данных. При использовании одного адреса на прием обращается внимание на то, чтобы не было неоднозначного присвоения кода.

22

5.5 Физическая реализация интерфейса Высокое и низкое состояния на линиях сигналов основаны на стандартных уровнях ТТЛ, источники питания для которых должны обеспечивать напряжение 5 R Возбудители (передатчики) имеют следующие параметры: для низкого состояния - выходное напряжение U < 0.5В при 1 < 48 мА для втекающего тока; для высокого состояния - выходное напряжение для возбудителей на три состояния U > 2,4В при 1 > 5,2 мА, а для возбудителей с открытым коллектором соответствует характеристике нагрузки. Возбудители с открытым коллектором используются в сигнальных линиях 30, ГП, ДП. В остальных линиях используются возбудители либо с открытым коллектором, либо на три состояния. Приемники с номинальной помехоустойчивостью имеют входные напряжения U < 0,8В - для низкого состояния, U>2В - для высокого состояния. Для повышения помехоустойчивости на всех сигнальных линиях рекомендуется использовать цепи типа Шмитта. Требования к этим приемникам: нижнее пороговое напряжение U > 0,8В - для низкого состояния; верхнее пороговое напряжение U<2В - для высокого состояния; гистерезис - при U > 0,4В. Каждая сигнальная линия нагружается в пределах устройства резисторной нагрузкой, обеспечивающей поддержание постоянного полного электрического сопротивления устройства на линии для увеличения помехоустойчивости ( R1 =3 кОм R2 = 6,2 кОм). В состав компонентов приемника входит диодный ограничитель отрицательного напряжения на сигнальной линии. Внутренняя емкостная нагрузка каждой сигнальной линии в устройстве не должна превышать 100 пФ. Экран соединительного кабеля должен быть присоединен при помощи контакта в разъеме к шасси (защитному заземлению). Обратные провода заземления индивидуального управления и сигнальных линий должны присоединяться к логической земле в схеме возбудителя или приемника. В качестве соединителя должны использоваться розетка или вилка типа РПМ7-24 с ленточными контактами. Соединитель должен удовлетворять следующим требованиям: номинальное напряжение и ток 150В и 1А, сопротивление контактов и изоляции - менее 0,02 0м и более 1 ГОм соответственно, рабочий диапазон частот - 3 МГц, число контактов 24; сечение монтажного провода - 0,2мм.

23

Список использованных источников 1. Мячев А. А. и др. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник /А. А. Мячев, В. U Степанов, В. К. Щербо; Под ред. А. А. Мячева. М.: Радио и связь, 1989. – 160 с. 2. Бонкарев Ю. М. SCSI - перспективный стандарт В/В. // Приборы и системы управления, 1992, N6. - 12-16 с. 3. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томкинса, Дж. Уэбстера. М. : №ip, 1992. 592 с. 4. Интерфейс для программируемых приборов в системах автоматизации эксперимента/ Н. И. Гореликов, А. Н. Домарацкий Л. С. Ситников и др. М. : Наука, 1981. – 262 с.

24