Интерфейсы АСОИиУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)» ВОЛЖСКИЙ ФИЛИАЛ Конспект лекций ИНТЕРФЕЙСЫ АСОИиУ 1 Оглавление ИНТЕРФЕЙСЫ АСОИиУ ................................................................................................................................ 1 РАЗДЕЛ 1. ИНТЕРФЕЙСЫ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ........................................ 3 1.1 Интерфейсы. Основные понятия и определения............................................................................ 3 1.2. Обобщенная структура интерфейса. .............................................................................................. 3 1.3. Принципы проектирования интерфейсов. .................................................................................... 4 1.4. Особенности графического интерфейса. Компоненты графического интерфейса. ................... 4 Классификация интерфейсов ................................................................................................................. 7 РАЗДЕЛ 2. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ .......................................................10 2.1 Информационная магистраль.........................................................................................................10 2.2 Магистраль управления информационным каналом. ..................................................................11 2.3 Функция синхронизации ................................................................................................................12 3.4 Селекция информационного канала ..............................................................................................16 Раздел 3. USB: структура и взаимодействие устройств системы .........................................................27 Раздел 4. Интерфейсы доступа к СУБД ..................................................................................................30 4.1. Основные аспекты разработки интерфейса .................................................................................30 4.2 Стадия анализа требований ............................................................................................................31 4.3. Стадия логического проектирования ...........................................................................................32 4.4. Стадия физического проектирования.......................................................................................34 Раздел 5. SCADA –система TRACE MODE............................................................................................36 1. Единая линия программирования. ...............................................................................................36 2. Разработка сетевого комплекса как единого проекта. ...............................................................36 3. Автопостроение. ............................................................................................................................36 Раздел 6. Графический интерфейс в среде TRACE MODE ...................................................................36 1. Структура построения графического интерфейса в среде ........................................................36 2. TRACE MODE. Распределенная многоуровневая АСУТП на базе Trace Mode. ....................36 3. Единое сетевое время....................................................................................................................36 2 РАЗДЕЛ 1. ИНТЕРФЕЙСЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И 1.1 Интерфейсы. Основные понятия и определения. Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в единый комплекс различных блоков ЭВМ, устройств хранения и отображения информации, измерительных приборов, устройств для связи с объектом (УСО), аппаратуры передачи данных и непосредственно ЭВМ. Эта задача возлагается на унифицированные системы сопряжения – интерфейсы. Термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «сопряжения» и понимается как совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов устройства, системы. Нередко это определение используется для обозначения составных компонентов интерфейса. В одних случаях под интерфейсом понимают программные средства, обеспечивающие взаимодействие программ операционной системы, в других – устройства сопряжения, обеспечивающие взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы. Для акцентирования внимания на комплексном характере интерфейса используются термины «интерфейсная система», «программный интерфейс», «физический интерфейс», «аппаратный интерфейс», и т.п. 1.2. Обобщенная структура интерфейса. Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Структурная схема интерфейса показана на рис 1. Рис.1. Структурная схема интерфейса: ФБ – функциональный блок, К – контроллер, УБ – управляющий блок, ИБ – интерфейсный блок Средства интерфейса обеспечивают совместную работу независимых разнородных функциональных блоков системы. Условно ИБ 3 можно разделить на две части: часть, обращенная к ФБ и учитывающая его специфику, и часть, поддерживающая взаимодействие с другими устройствами в рамках требований интерфейса. 1.3. Принципы проектирования интерфейсов. Проектирование интерфейсов выполняется на основе четырех основных взаимосвязанных принципов: группового, агрегатирования, унификации, взаимозаменяемости. Принцип группового проектирования заключается в создании ряда (семейства) функционального и конструктивно подобранных устройств(модулей, систем) определенного назначения, соответствующих разнообразным условиям их использования. Основная задача группового проектирования – достижение максимальной универсальности и совместимости ЭВМ, вычислительных комплексов (ВК) внутри проектируемого ряда. Примером эффективного использования принципа группового проецирования являются разработки IBM РС – техники, Macintosh Apple . Принцип агрегатирования (модульного построения) состоит в рациональном разделении системы, устройства на совокупность более простых функционально и конструктивно законченных блоков (модулей) с целью совершенствования их технических характеристик, а также обеспечения высокопроизводительных способов производства и обслуживания. Принцип унификации заключается в минимизации номенклатуры составных узлов, блоков устройства, модулей связей между ними при условии рациональной компоновки и эффективного функционирования устройства или системы. Интерфейс можно рассматривать как практический пример унификации связей и устройств составных элементов ЭВМ и систем. Принцип взаимозаменяемости основывается на способности модуля выполнять в устройстве различные установочные функции без дополнительной конструкторской доработки. Взаимозаменяемость является следствием процесса унификации. Эта характеристика определяет степень универсальности устройства. Эффективное использование рассмотренных принципов проектирования при разработке и внедрении интерфейсов и устройств сопряжения позволяет: организовать крупносерийное производство; повысить качество; сократить сроки изготовления; снизить стоимость производства, отладки и эксплуатации; осуществить преемственность технических решений и удлинить сроки морального старения средств ВТ. 1.4. Особенности графического интерфейса. Компоненты графического интерфейса. Под графическим интерфейсом подразумевается интерфейс, основанный на средствах машинной графики. С его помощью осуществляется 4 взаимодействие человека с компьютером в форме диалога с использованием ввода и вывода на экран монитора графической информации, управления программами с помощью кнопок, меню, окон, экранных панелей и других элементов, а также выделением цветом определенных частей изображения или текста и т.п. При работе с графическим интерфейсом используются мышь, световое перо, цифровой планшет графического ввода. 1.1. Основные элементы графического интерфейса Основными элементами графического интерфейса являются: 1. Рабочий стол – область экрана, на которой отображаются окна (в том числе диалоговые), значки и меню. 2. Окно – ограниченная (прямоугольная) часть экрана, предназначенная для выполнения одной программы или отдельной ее функции. 3. Значок и ярлык (пиктограмма) – ссылка на любой элемент, доступный на компьютере или в сети, такой как программа, файл, папка, диск, вебстраница , принтер или другой компьютер. 4. Кнопка – элемент, который после воздействия на него (например, выполнения пользователем щелчка кнопкой мыши) запускает некоторую последовательность действий. 5. Панель – группы логически взаимосвязанных значков, элементов управления и индикации состояния операционной системы или выполняющейся программы. 6. Меню – набор команд, действий, режимов, установок и т.д. 7. Папка – элемент , предназначенный для группировки файлов по какомулибо признаку. 8. Приложение – прикладная программа. 9. Документ – самостоятельный файл, созданный в приложении и получивший при сохранении имя, с помощью которого он будет использоваться в дальнейшем. Основным назначением интерфейса является унификация внутрисистемных и межсистемных связей и устройств сопряжения с целью эффективной реализации прогрессивных методов проектирования функциональных элементов вычислительных систем. Качество стандарта на интерфейс может быть оценено соотношением, устанавливаемым между ограничениями на реализацию интерфейса и устройств сопряжения и возможностями варьирования тех или иных технических характеристик интерфейса с целью наиболее эффективного приспособления его к конкретной системе. Слишком жесткая регламентация условий совместимости ограничивает область применения интерфейса или же вызывает неоптимальное его использование. Однако при этом упрощается задача проектирования устройств сопряжения. В противоположном случае увеличивается вероятность несовместимости интерфейсного оборудования, разрабатываемого различными производителями. Жесткая зависимость интерфейсов от архитектурных особенностей ЭВМ является одной из причин, препятствующих унификации многочисленных модификаций интерфейсов. Однако на определенном этапе развития 5 технологии тенденция сохранения интерфейса снижает эффективность использования средств ВТ и возможность внедрения новых принципов построения ЭВМ и систем на их основе. Опыт показывает, что унификация и стандартизация наиболее широко применяемых интерфейсов дают значительный экономический эффект. Этот эффект достигается в сфере производства (сокращение номенклатуры изделий, увеличение объемов партий изделий и пр. при проектировании и эксплуатации систем. Современные темпы развития микроэлектронной технологии, а также тенденции и практика построения микропроцессорных систем в настоящее время определили следующие направления развития интерфейсов: 1. Дальнейшее повышение уровня унификации интерфейсного оборудования и стандартизации условий совместимости существующих наиболее распространенных интерфейсов на основе обобщения опыта их широкого использования. Это совершенствование направлено на создание новых стандартных интерфейсов или на повышение уровня стандартизации существующих. 2. Модернизация и расширение функциональных возможностей существующих интерфейсов без нарушения условий совместимости благодаря новейшим достижениям в микроэлектронной технологии и технологии разработки средств передачи информации. Основная цель этого направления—удлинение сроков морального старения стандартных интерфейсов и расширение области их применения. 3. Создание принципиально новых интерфейсов и разработка требований на их унификацию и стандартизацию. Эта тенденция обусловлена в первую очередь разработкой систем с параллельной распределенной обработкой информации на основе качественно новых принципов организации вычислительного процесса, а также интегрированных распределенных систем. 6 Классификация интерфейсов В настоящее время не существует достаточно полной объективной классификации интерфейсов. Имеющиеся классификации основываются, как правило, на одном классификационном признаке или же строятся для одного класса интерфейсов. Определенным обобщением этих классификаций является стандарт на классификационные признаки интерфейсов (ГОСТ 26.016-81), включающий четыре признака классификации: способ соединения компонентов системы (магистральный, радиальный, цепочечный, смешанный); При магистральном способе имеются коллективные шины, к которым подключены все устройства системы. Характерно, что сигналы шины доступны всем устройствам, но в каждый момент времени только два устройства могут обмениваться данными (1:1). Возможны также широковещательные операции (1:М). В системе с радиальной структурой имеется центральное устройство (контроллер или концентратор), связанный с каждым из абонентов индивидуальной группой однонаправленных линий. При цепочечной структуре каждое устройство связано не более чем с двумя другими. Частным случаем цепочечной структуры является кольцевая. способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный); принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный); режим обмена информацией (симплексный; полудуплексный; дуплексный и мультиплексный режим обмена). Для случая связи двух абонентов в симплексном режиме лишь один из двух абонентов может инициировать в любой момент времени передачу информации по интерфейсу Для случая связи двух абонентов в полудуплексном режиме любой абонент может начать передачу информации другому, если линия связи интерфейса при этом оказывается свободной. Для случая связи двух абонентов в дуплексном режиме каждый абонент может начать передачу информации другому в произвольный момент времени. В случае связи нескольких абонентов в мультиплексном режиме в каждый момент времени связь может быть осуществлена между парой абонентов в любом, но единственном направлении от одного из абонентов к другому. Указанные признаки позволяют характеризовать только определенные аспекты организации интерфейсов. Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут быть выполнены при условии классификации по нескольким совокупностям признаков: области распространения (функциональному назначению); логической и функциональной организации; физической реализации. В соответствии с первой совокупностью признаков интерфейсы можно 7 разделить на следующие основные классы: машинные (или системные); периферийного оборудования; мультимикропроцессорных систем; распределенных ВС (вычислительных локальных сетей, распределенных систем управления). Машинные интерфейсы предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ, ВК, ВС, т. е. непосредственно для их построения и связи с внешней средой. Интерфейсы периферийного оборудования выполняют функции сопряжения процессоров, контроллеров с УВВ, измерительными приборами, исполнительными механизмами, аппаратурой передачи данных (АПД) и внешними запоминающими устройствами (ВЗУ). Интерфейсы периферийного оборудования представляют самый большой класс систем сопряжения, что объясняется широкой номенклатурой и разнообразием периферийного оборудования. По своему функциональному назначению эти интерфейсы могут быть разделены на группы интерфейсов радиальной структуры (обеспечивающие схему сопряжения «точка-точка») и магистральной структуры (обеспечивающие схему «многоточечного» подключения). Системы сопряжения первой группы составляют в основном так называемые малые интерфейсы, применяемые для сопряжения исполнительных механизмов ввода-вывода с контроллерами. К этим интерфейсам относятся: системы сопряжения с параллельной передачей информации, предназначенные для подключения стандартной периферии, системы сопряжения для подключения устройств, размещенных на большом удалении друг от друга. Интерфейсы второй группы используются как самостоятельно, так и в качестве системотехнического дополнения, расширяющего функциональные возможности ЭВМ на уровне связи с объектом управления. К ним относятся магистральные интерфейсы программно-модульных систем типов IEC 625-1. Эти интерфейсы обеспечивают сопряжение программируемых контроллеров и ЭВМ с широким спектром цифровых измерительных приборов, преобразователей информации, генераторов, датчиков, пультов оператора. В вычислительных системах к такого рода интерфейсам относятся SCSI, USB. Интерфейсы мультимикропроцессорных системпредставляют собой в основном магистральные системы сопряжения, ориентированные на объединение в единый комплекс нескольких процессоров, модулей оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), контроллеров ВЗУ, ограниченно размещенных в пространстве. В группу интерфейсов мультимикропроцессорных систем входят в основном внутриблочные, процессорно -независимые системы сопряжения. Характерным их отличием от обычных магистральных интерфейсов является техническая реализация 8 функций селекции и координации, что позволяет подключать к ним один или несколько процессоров как обычные УВВ. Этот класс интерфейсов отличают высокая пропускная способность и минимальное время доступа процессора к общей ОЗУ. Данный класс систем сопряжения может быть разделен на две крупные группы в соответствии со структурой шин адреса и данных: с раздельными и мультиплексными шинами. Как правило, эти интерфейсы представляют собой внутриблочную систему сопряжения магистральной структуры с высокой пропускной способностью. Интерфейсы распределенных ВС предназначены для интеграции средств обработки информации, размещенных на значительном расстоянии и ориентированы на использование в системах различного функционального назначения. Обычно это системы сопряжения с бит - последовательной передачей информации магистральной или кольцевой структуры. Этот класс интерфейсов в зависимости от назначения разделяется на группы интерфейсов: локальных сетей (с длиной магистрали от десятков метров до нескольких километров); распределенных систем управления; территориально и географически распределенных сетей ЭВМ (с длиной линии более десяти километров). По конструктивному исполнению интерфейс могут быть разделены на четыре категории: межблочные, обеспечивающие взаимодействие компонентов на уровне прибора, автономного устройства, блока, стойки, шкафа; внутриблочные, обеспечивающие взаимодействие на уровне плат, субблоков; внутриплатные, обеспечивающие взаимосвязь между интегральными схемами (СИС, БИС, СБИС) на печатной плате; внутрикорпусные, обеспечивающие взаимодействие компонентов внутри СБИС. Межблочное сопряжение реализуется на уровне следующих конструктивных средств: коаксиального и оптоволоконного кабеля; многожильного плоского кабеля (шлейфа); многожильного кабеля на основе витой пары проводов. Внутриблочное сопряжение печатных плат, субблоков выполняется печатным способом или накруткой витой парой проводов внутри блока, стойки, шкафа. Ряд интерфейсов может быть реализован комбинацией внутри-блочного и межблочного исполнений. Внутриплатное сопряжение реализуется печатным способом, внутрикорпусное — методами микроэлектронной технологии. 9 РАЗДЕЛ 2. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ 2.1 Информационная магистраль. Составными физическими элементами связей интерфейса являются электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Различают одно- и двунаправленные линии. Если на линии работает только один передатчик, линия считается однонаправленной, в этом случае используется традиционное схемотехническое решение приемопередающих узлов – один источник сигнала подключен к нескольким приемникам. В случае двунаправленных линий количество передающих устройств на линии больше одного, и это требует применения в передающих устройствах специальных решений – выходные каскады с высокоимпедансным состоянием (т. н. «третье» состояние), с открытым коллектором, с открытым стоком. При этом средства управления интерфейсом должны «регулировать» активнос ть передающих устройств таким образом, чтобы в каждый момент времени передачу вело только одно устройство. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной, а вся совокупность линий—магистралью, В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали: информационного канала и управления информационным каналом. По информационной магистрали передаются коды данных, адресов, команд и состояний устройств. Аналогичные наименования присваиваются соответствующим шинам интерфейса. Коды данных представляют информацию о процессах, протекающих в ВС. Обычно в машинных интерфейсах используется двоичное кодирование в формате машинного кода. Линии ШД обычно нумеруются DATXX, где ХХ – двоичный вес линии. Т.е. по линии DAT00 передается младший разряд машинного слова, по линии DAT01 – разряд с весом 2**1 и т.д. Коды адресов предназначены для выборки в магистрали устройств, узлов устройства, ячеек памяти. Обычно для адресации используется позиционный двоичный код (двоичный номер объекта), однако нередко применяется и кодирование, при котором каждому устройству выделяется отдельная линия адреса. Примером реализации такой системы адресации является интерфейс КАМАК Коды команд используются для управления функционированием устройств и обеспечения сопряжения между ними. В стандартах на интерфейс регламентируется минимально необходимый набор команд, который может быть расширен пользователем за счет резервных полей в кодах. По функциональному назначению различают адресные команды управления обменом информации между устройствами, команды изменения состояния и режимов работы. К наиболее распространенным командам относятся: «Чтение», «Запись», «Конец передачи», «Запуск». 10 Коды состояния представляют собой сообщения, описывающие состояния устройств сопряжения. Коды формируются в ответ на действия команд или являются отображением состояний функционирования устройства, таких как «Занятость устройства», «Наличие ошибки», «Готовность устройства» к приему или передаче информации и т. п. В большинстве случаев коды данных, адресов, команд и состояний передаются по шинам интерфейса с разделением времениза счет мультиплексирования шин. Это достигается введением дополнительных линий для обозначения типа передаваемой информации, называемых линиями идентификации. Их применение позволяет существенно сократить общее число линий информационной магистрали интерфейса, однако при этом происходит снижение быстродействия передачи информации. 2.2 Магистраль управления информационным каналом. Магистраль управления информационным каналом по своему функциональному назначению делится на ряд шин: управления обменом, передачи управления, прерывания, специальных управляющих сигналов. Шина управления обменом включает в себя линии синхронизации передачи информации. В зависимости от принятого принципа обмена (асинхронного, синхронного) число линий может изменяться от одной до трех. Асинхронная передача происходит при условии подтверждения приемником готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных. При синхронной передаче темп выдачи и приема данных задается регулярной последовательностью сигналов. Линии шины управления обменом в случае двунаправленной информационной магистрали выполняются, как правило, двунаправленными. Шина передачи управления выполняет операции приоритетного занятия магистрали информационного канала. Наличие этой шины определяется тем, что взаимодействие в большинстве интерфейсов выполняется по принципу «ведущий-ведомый» («задатчик-исполнитель»), при котором «ведущее» устройство может брать управление шиной на себя в определенные моменты времени. При наличии в системе нескольких устройств, способных выполнять функции «ведущего», возникает проблема приоритетного распределения ресурсов шины (арбитража). Состав и конфигурация линий этой шины зависят от структуры управления интерфейсом. Различают децентрализованную и централизованную структуры. В интерфейсах, предназначенных для объединения только двух устройств (соединение типа «точка-точка»), шина передачи управления отсутствует. Шина прерывания применяется в основном в машинных интерфейсах ЭВМ и программно-модульных систем. Основная ее функция — идентификация устройства, запрашивающего сеанс обмена информацией. 11 Идентификация состоит в определении контроллером (процессором) исходной информации о запрашиваемом устройстве. В качестве информации об устройстве используется адрес источника прерывания либо адрес программы обслуживания прерывания (вектор прерывания). Шина специальных управляющих сигналов включает в себя линии, предназначенные для обеспечения работоспособности и повышения надежности устройств интерфейса. К этим линиям относятся: линии питания, контроля источника питания, тактирующих импульсов, защиты памяти, общего сброса, контроля информации и т. п. В соответствии с существующим стандартом структуры связей интерфейсов подразделяются на следующие классы: магистральную; радиальную; цепочечную и смешанную (комбинированную). Тем не менее такое разделение не позволяет дать детального представления о пространственном размещении функциональных устройств и устройств сопряжения, а также о возможностях взаимосвязи этих устройств, т. е. их связности. Связность линии определяет возможность двустороннего или одностороннего направления передачи сигналов, т. е. передачи в прямом и обратном направлениях. Для однонаправленных линий связи возрастает пропускная способность информационной магистрали, упрощаются приемопередающие элементы и улучшается согласование линий. Однако применение однонаправленных линий приводит к увеличению общего числа линий. 2.3 Функция синхронизации Синхронизация определяет согласование процессов взаимодействия между функциональными устройствами системы. Рассмотрим особенности выполнения процессов взаимодействия составных элементов системы. Два или более процесса являются синхронными, если смены состояний этих процессов взаимонезависимы и выполняются через одинаковые фиксированные интервалы времени. Взаимодействие функциональных устройств при этом рассматривается как совокупность процессов передачи информации источником и приема этой информации одним или несколькими приемниками. Синхронизация процесса взаимодействия заключается в том, что интервал времени смены состояния процесса передачи заведомо не может быть меньше самого длительного интервала времени изменения состояния процесса приема. Два или более процесса являются асинхронными, если смены состояний этих процессов взаимозависимы, а время изменения состояния одного процесса определяется временем смены состояния другого процесса. При асинхронном взаимодействии между процессами передачи и приема существует отношение предшествования. Асинхронный принцип не означает, что синхронизация отсутствует, при асинхронном принципе период синхронизации является переменным, а при синхронном этот период постоянен и определяется частотой работы самого медленного устройства. 12 Реализация асинхронных процессов взаимодействия основывается на принципе обратной связи, которая может быть однопроводной и двухпроводной. Процессы взаимодействия интерфейсных блоков образуют иерархическую структуру. Уровни иерархии процессов взаимодействия соответствуют иерархии структурных элементов информации, передаваемой между устройствами системы. Процессам взаимодействия различных уровней иерархии соответствуют различные операции синхронизации. Можно выделить три процесса синхронизации передачи: битов слова, слов и массивов слов. Синхронизация битов слова выполняется при параллельной передаче многоразрядных кодов. Ее необходимость обусловливается переходными процессами установления сигналов в линиях информационного канала из-за разброса параметрических характеристик приемопередающих элементов линий связи. Если известен разброс времени переходного процесса установления сигнала в одной линии информационной шины, то совокупность переходных процессов в каждой линии процесса передачи слова информации по отношению к процессу приема можно представить как совокупность детерминированных процессов. Процесс приема передаваемого слова синхронизируется специальным стробирующим сигналом от источника данных или приемника, выдаваемым с фиксированной задержкой по отношению к моменту выдачи всех разрядов кода слова. Время задержки t = max{ t1,t1} - min{ t1,t1} где {t1,t1} — длительность переходного процесса формирования синхронизирующего импульса (строба) определяется источником информации или внутренним тактирующим генератором приемника (рис. 1). 13 Рис. 1. Временная диаграмма синхронизации передачи битов слова: СИ – синхронизация источника. Рис. 2. Временная диаграмма синхронизации передачи слов без обратной связи: ШД — шина данных; СИ — синхронизация источника Синхронизация передачи слова определяет такие технические характеристики интерфейса, как возможность взаимодействия одного источника с несколькими приемниками, максимальная скорость передачи и допускаемая длина линий связи. На этом уровне используются два основных способа синхронизации передачи: без обратной связи и с обратной связью (рис. 2, 3). Схема синхронизации без обратной связи выполняется на основе одного общего или отдельных тактирующих генераторов высокой стабильности. Необходимым условием реализации способа является наличие отдельной линии стробирования. Способ используется в основном в последовательных интерфейсах с побитным принципом передачи. Основной недостаток синхронного способа заключается в том, что скорость выдачи данных 14 источником не может быть больше скорости приема этих данных самым медленнодействующим приемником. Этот недостаток может быть исключен благодаря применению в интерфейсных блоках модульных буферных ЗУ, например, со стековым механизмом записи и считывания. Способы технической реализации обратной связи в схемах синхронизации можно разделить: по характеру сигналов стробирования и обратной связи на импульсные (рис. 2, а) и потенциальные (рис. 2,б,в); по числу контуров обратной связи на однопроводные (рис. 2,а,б), двухпроводные (рис. 2,в). Рис. 3. Временные диаграммы синхронизации передачи слов с обратной связью: СИ — синхронизация источника; ГП — готовность приемника; ДП — данные; приняты; ШД — шина данных; Применение обратной связи позволяет гибко адаптироваться к изменению скорости передачи информации и наиболее полно использовать пропускную способность информационного канала, который в асинхронном режиме функционирует с быстродействием, максимальным для каждого устройства системы. Основными недостатками асинхронного способа по сравнению с синхронным являются в ряде случаев более низкая скорость передачи и необходимость введения дополнительных линий обратной связи. Важным качеством синхронизации с обратной связью является возможность одновременной передачи информации от одного источника к нескольким приемникам. Число необходимых линий синхронизации для выполнения данной функции зависит от наличия в устройствах интерфейса буферных регистров. При их наличии достаточна однопроводная обратная связь. При отсутствии буферных регистров используетсядвухпроводная 15 обратная связь. Сигнал на второй линии обратной связи (в данном случае сигнал ДП) выполняет функции сигнализации окончания приема слова данных и формируется аналогично сигналу на линии обратной связи для однопроводного варианта. Подобный способ синхронизации принят в интерфейсе IEC 625-1. Синхронизация передачи массива слов является процессом синхронизации верхнего уровня. Процессы передачи массива могут быть детерминированными или стохастическими. К детерминированным относятся процессы передачи массива слов фиксированной длины (от одного до нескольких тысяч слов за сеанс связи), к стохастическим— переменной длины. В первом случае используется синхронный принцип сигнализации окончания процесса взаимодействия, во втором — асинхронный. 3.4 Селекция информационного канала Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает однозначность выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы посредством приоритетного разрешения внутриорганизационных конфликтов. Наличие конфликтов при доступе к информационному каналу является следствием взаимодействия параллельных процессов, протекающих в системе обработки информации. При взаимодействии устройств, функционирующих параллельно во времени с общим информационным каналом, возможны конфликты двух уровней: при доступе устройства к информационному каналу интерфейса, при доступе одного устройства к другому. Первый уровень определяется занятостью информационного канала, и конфликт разрешается функцией селекции, второй—занятостью устройства, к которому происходит обращение, и конфликт разрешается при координации взаимодействия. Управление операциями селекции может выполняться как централизованно, так и децентрализованно. Основным признаком централизованной структуры управления селекцией является в большинстве случаев наличие разомкнутых линий шин передачи управления и прерывания, а также отдельного функционального узла управления операциями селекции— арбитра. В децентрализованной структуре соответствующие линии являются двунаправленными или же замкнутыми однонаправленными, а схема арбитра симметрично распределена по устройствам сопряжения. Рассмотрим способы централизованной селекции информационной магистрали. На рис. 1,а показан вариант пространственной селекции на основе последовательного адресного сканирования источников запроса. Выбор источника запроса начинается по общему сигналу запроса и выполняется последовательной кодовой адресацией всех подключаемых устройств в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания. При обнаружении источника запроса устанавливается сигнал «Занято» и дальнейшая выдача адресов прекращается. 16 Рис. 1.2. Схемы селекции магистрали централизованной структуры: К — контроллер; ИБ — интерфейсный блок Основным достоинством этого способа селекции является гибкость в реализации дисциплин обслуживания. Практически при использовании программируемой генерации адресов на основе данного способа можно реализовать любую дисциплину обслуживания. Основным недостатком является низкое быстродействие. Схема последовательной (цепочечной) селекции, представленная на рис. 1,б, широко распространена в машинных интерфейсах как наиболее простая и достаточно быстродействующая. Поиск источника запроса начинается по сигналу «Запрос». Идентификация наиболее приоритетного устройства выполняется сигналом «Подтверждение», который последовательно проходит через все устройства. Приоритетным в данном случае будет устройство, наиболее близко расположенное к контроллеру. При поступлении сигнала «Подтверждение» в устройство (источник запроса) дальнейшее его прохождение блокируется и устройством выставляется сигнал «Занято». Основными преимуществами последовательного соединения интерфейсных блоков является простота реализации и высокое быстродействие по сравнению с адресным сканированием. Основным недостатком схем селекции на основе последовательного соединения является низкая надежность, в особенности при увеличении длины 17 интерфейсных связей. Поэтому последовательное соединение находит основное применение во внутриблочных интерфейсах. Аналогично цепочечной схеме функционирует и схема селекции по выделенным линиям (рис. 1.2,в). Отличие ее от предыдущей заключается в том, что общие линии «Запрос» и «Подтверждение» заменяются системой радиальных линий. Максимальное время занятия информационной магистрали для этого варианта будет меньше, чем для цепочечной структуры, так как сигналы по шинам запроса и подтверждения могут передаваться параллельно. Данный способ характеризуется также гибкостью установления дисциплины обслуживания, поскольку контроллер с помощью масок может установить произвольный приоритет и порядок опроса. Однако это достигается за счет существенного увеличения числа линий и усложнения схемотехнического оборудования. Для данного метода характерно ограничение по числу подключаемых устройств (низкая наращиваемость). Подобный способ селекции используется в IBM РC – подобной технике. Основные варианты реализации схем селекциидецентрализованной структуры представлены на рис. 2. Рис. 2. Схема селекции магистрали децентрализованной структуры. Характерным признаком децентрализованной селекции является наличие замкнутых линий запроса и подтверждения. На рис. 1.3,а показан вариант децентрализованной цепочечной структуры, которая может быть получена из централизованной исключением линии «Занято» и замыканием общей линии «Запрос» с линией «Подтверждение». Необходимым условием установления запроса любым устройством является отсутствие входного сигнала подтверждения. При выдаче запроса этот сигнал «дизъюнктивно» 18 формируется на линии и трансформируется в сигнал «Подтверждение», который будет проходить до устройства, выставившего запрос и находящегося наиболее близко по отношению к точке замыкания. На рис. 1.3,б показан вариант кольцевой децентрализованной схемы селекции. В варианте используется одна линия, определяющая состояние занятости информационного канала по циркуляции в линии маркерного импульса или серии импульсов. Устройство, запрашивающее шину, не пропускает маркер к следующему устройству, и, таким образом, циркуляция импульсов прекращается. Способ широко распространен в интерфейсах локальных сетей. Основным недостатком способа является низкая помехоустойчивость. Одним из наиболее перспективных способов селекции для магистральных систем сопряжения является способ параллельного адресного сравнения или же децентрализованного кодового управления (ДКУ), структурная схема которого представлена на рис. 1.3,в. Сущность алгоритма ДКУ заключается в параллельном выделении приоритетного кода запроса посредством поразрядного сравнения кодов приоритета в асинхронном режиме одновременно во всех устройствах интерфейса, выставивших запросы. Такое решение использовано, например, в интерфейсных системах Multibus II и Fastbus. Анализ возможных вариантов реализации способов селекции устройств на информационной магистрали позволяет выделить следующие операции селекции: инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентификация запроса. Инициирование запроса включает в себя процедуры выдачи, хранения и восприятия запроса на организацию процесса взаимодействия. В интервале времени занятия информационного канала сигналы запросов Z1 Z2 … Zn1 Zn от устройств объединяются «дизъюнктивно» на шине запросов или воспринимаются по отдельным линиям и, таким образом, сохраняются до освобождения информационного канала. Общий сигнал запроса Z формируется в соответствии с условием Z=VZi i Сигналы запроса могут храниться в регистре управляющего блока (радиальная структура шины запроса) или на отдельных триггерах каждого интерфейсного блока (магистральная структура шины запроса). Функция выделения приоритетного запроса для централизованной структуры описывается логическим выражением Zi = Zb Zr [Z1 V (`Z1 Z2) V …V (`Z1 `Z2 … Zi) V … V (`Z1`Z2 … `Zn-1 Zn)] где Zb — сигнал занятости информационного канала; Zr —сигнал разрешения приоритетного сравнения, обычно Zb = Zr ;n — число уровней приоритета; Zn —сигнал запроса наинизшего приоритета. Для децентрализованной структуры логическая функция выделения приоритетного запроса записывается следующим образом: 19 Zi = V Zi [Z1 V (`Z1 Z2) V …V (`Z1 `Z2 … Zi) V … V (`Z1`Z2 … `Zn-1 Zn) Идентификация запроса заключается в определении адреса приоритетного источника запроса. Операция выдачи приоритетного кода в зависимости от способа выделения приоритетного запроса выполняется параллельно с операцией выделения приоритетного кода (параллельное сравнение) или же последовательно (в структурах с цепочечным соединением устройств интерфейса). Адреса в интерфейсах могут быть заданы позиционным двоичным или унитарным кодом и передаваться по адресной или информационной шине. 3.5 Параллельные интерфейсы: CENTRONICS. Параллельные интерфейсы характеризуются тем, что в них для передачи бит в слове используются отдельные сигнальные линии, и биты передаются одновременно. Параллельные интерфейсы, как правило, используют логические уровни ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), что ограничивает длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛинтерфейса. Гальваническая развязка отсутствует. Для подключения принтера по интерфейсу Centronics в PC был введенпорт параллельного интерфейса - так возникло название LPT-порт (Line PrinTer - построчный принтер). Хотя сейчас через этот порт подключаются не только построчные принтеры, название "LPT" осталось. Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему на принтерах. Назначение сигналов приведено в табл., а временные диаграммы обмена с принтером - на рис. 1. Сигнал I/O* Назначение Строб данных. Данные фиксируются по Strobe# I низкому уровню сигнала Data [0:7] I Линии данных. Data 0 - младший бит Acknowledge - импульс подтверждения приема байта (запрос на прием следующего). Ack# Может использоваться для формирования запроса прерывания Занято. Прием данных возможен только при Busy низком уровне сигнала PaperEnd Высокий уровень сигнализирует о конце О # бумаги Сигнализирует о включении принтера Select # О (обычно в принтере соединяется резистором с цепью +5В) Автоматический перевод строки. При низком AutoLF# I уровне принтер, получив символ CR (Carriage Return - возврат каретки), автоматически 20 выполняет и функцию LF (Line Feed переводстроки) Ошибка: конец бумаги, состояние OFF-Line Error# О или внутренняя ошибка принтера Инициализация (сброс в режим параметров Init# I умолчания, возврат к началу строки) Выбор принтера (низким уровнем).При Select# высоком уровне принтер не воспринимает остальные сигналы интерфейса GND Общий провод интерфейса Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт вырабатывает аппаратное прерывание по импульсу на входе Ack#. Сигналы порта выводятся на разъем DB25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом. Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h. Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5.Порт имеет внешнюю8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов, BIOS поддерживает до четырех LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом - прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтером по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа (по опросу готовности, не используя аппаратных прерываний), инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера. Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (BASE). Data Register (DR) - регистр данных. Данные, записанные в этот порт,выводятся на выходные линии интерфейса. 21 Status Register (SR) - регистр состояния; представляет собой 5-битный порт ввода сигналов интерфейса, отображающих состояние принтера (Busy, Ack, Paper End, Select, Error). Control Register (CR) регистр управления. Предназначен для программного управления принтером путем активизации линий Select, Init,AutoLF, Strobe# , задания режима прерывания и направления передачи данных Процедура вывода байта по интерфейсу Centronics включает следующие шаги (в скобках приведено требуемое количество шинных операций процессора): Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#). Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR. 7 сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#). По получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается (2 цикла IOWR#). Видно, что для вывода одного байта требуется 4-5 операций ввода/вывода с регистрами порта (в лучшем случае, когда готовность обнаружена по первому чтению регистра состояния). Отсюда вытекает главный недостаток вывода через стандартный порт невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт может обеспечить скорость не более 100-150 Кбайт/с при полной загрузке процессора, что недостаточно, например, для печати на лазерном принтере. Стандартный порт асимметричен - при наличии 12 линий, нормально работающих на вывод, на ввод работают только 5 линий состояния. Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена - Nibble Mode. В этом режиме одновременно передаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования. Таким образом, каждый байт передается за два цикла, а каждый цикл требует по крайней мере 5 операций ввода/вывода. Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт: Режим совместимости (Compatibility Mode) - однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует стандартному порту SPP. Полубайтный режим (Nibble Mode) - ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена может использоваться на любых адаптерах. Байтный режим (Byte Mode) - ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или PS/2 Type 1). 22 Режим ЕРР (Enhanced Parallel Port) (EPP Mode) - двунаправленный обмен данными. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту. Эффективен при работе с устройствами внешней памяти. Главной отличительной чертой ЕРР является выполнение внешней передачи во время одного процессорного цикла ввода/вывода. Это позволяет достигать высоких скоростей обмена (0,5...2 Мбайт/с). Режим ЕСР (Extended Capability Port) (ECP Mode) - двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных и использования FIFO-буферов и DMA. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно. Эффективен для принтеров и сканеров. В компьютерах с LPT-портом на системной плате режим SPP, ЕРР, ЕСР или их комбинация - задается в BIOS Setup ПУ в стандарте IEEE 1284 обычно не требуют от контроллерареализации всех режимов, предусмотренных стандартом. Дляопределения режимов и методов управления конкретным устройством стандарт предусматривает последовательность согласования(negotiation sequence). Последовательность построена так, что старые устройства, не рассчитанные на применение IEEE 1284, на нее не ответят, и контроллер останется в стандартном режиме. Периферия IEEE 1284 может сообщить о своих возможностях, и контроллер установитрежим, удовлетворяющий и хост, и ПУ. Последовательные интерфейсы: RS-232C. Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. В ряде последовательных интерфейсов применяется гальваническая развязка внешних сигналов от схемной земли устройства, что позволяет соединять устройства, находящиеся под разными потенциалами. Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах. При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками (рис. 1). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчикделитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема начала старт-бита. Этот счетчик генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать 23 данные и при незначительном рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Очевидно, что при передаче 8 бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при котором данные будут распознаны верно, не может превышать 5%. С учетом фазовых искажений и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение частот. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внутреннего генератора (чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интервала, и требования к согласованности частот становятся более строгими. Чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Взаимодействие этих факторов приводит к повышению требований к согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена. Рис.1. Формат асинхронной передачи Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможныеошибки передачи : если принят перепад, сигнализирующий о начале посылки, а по стробу старт-бита зафиксирован уровень логической единицы, старт-бит считается ложным и приемник снова переходит в состояние ожидания. Об этой ошибке приемник может и не сообщать. если во время, отведенное под стоп-бит, обнаружен уровень логического нуля, фиксируется ошибка стоп-бита. если применяется контроль четности, то после посылки бит данных передается контрольный бит. Этот бит дополняет количество единичных бит данных до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием байта с неверным значением контрольного бита приводит к фиксации ошибки. Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии: при этом принимается логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит, и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп-бита. Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5и 6-битные форматы распространены незначительно). Количество стопбит может быть 1, 1,5 или 2 ("полтора бита" означает только длительность 24 стопового интервала). Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым сразу же следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Очевидно, что при передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных, при котором на стороне приемника из принятого сигнала могут быть выделены импульсы синхронизации. На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. В большинстве стандартов сигнал представляется потенциалом. Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приемник - "токовая петля". Для связи на короткие расстояния приняты стандарты беспроводной инфракрасной связи. Наибольшее распространение в PC получил простейший последовательный интерфейс стандарт RS-232C, реализуемый СОМ -портами. В промышленной автоматике широко применяется RS-485. Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные от оконечного оборудования данных (ООД, DTE - Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД, DCE - Data CommunicationEquipment). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Полная схема соединения приведена на рис. 2. Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АПД, соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 3). Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ -порты поддерживают только асинхронный режим.. 25 Рис. 2. Полная схема соединения по RS-232C Рис. 3. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем Стандарт RS-232C использует несимметричные передатчики и приемники - сигнал передается относительно общего провода - схемной земли. Интерфейс НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12В. Диапазон -3...+3В зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 4). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах 12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно. Рис. 4. Прием сигналов RS-232C Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов. На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ портах) принято устанавливатьвилки (male) DB-25P или более компактный вариант - DB-9P.Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25-штырьковых разъемов эти контакты не используются). На аппаратуреАКД (модемах) устанавливают розетки (female) DB25S или DB-9S. Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем, имеющим на 26 обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестно Раздел 3. USB: структура и взаимодействие устройств системы USB: Структура и взаимодействие устройств системы USB( Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры РС, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Спецификация USB 1.0 была опубликована в январе 1996. Весной 2000г. опубликована спецификация USB 2.0. Архитектура USB определяется следующими критериями: Легко реализуемое расширение периферии РС. Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 480Мбит/с. Полна поддержка в реальном времени передачи аудио и сжатых видео данных. Гибкость протокола для смешанной передачи изоморфных данных и асинхронных сообщений. Интеграция в технологию выпускаемых устройств. Доступность в РС всех конфигураций и размеров. Открытие новых классов устройств, расширяющих РС. C точки зрения пользователя привлекательны такие черты USB: Простота кабельной системы подключений. Изоляция подробностей электрических подключений от пользователя. Самоидентифицирующаяся периферия, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование. Возможность динамического подключения и реконфигурирования периферии. USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством одновременно доступных периферийных устройств. Распределение пропускной способности шины между подключенными устройствами планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств динамическое ("горячее") подключение и отключение. Устройства (Device) USB могут являться хабами, "функциями" или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. "Функции" (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности - например подключение к ISDN, цифровой джойстик. акустические колонки с цифровым интерфейсом и т.д. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций(конфигурирование и сброс) и стандартное представление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и "функции" и хабы. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер. являющийся 27 программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или хаб с функцией. В системе USB имеется только один хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов USB. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (root hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов многих современных системных плат обычно имеет двух/четырехпортовый хаб. Логически устройство подключенной к любому хабу и сконфигурированное может рассматриваться как подключенное напрямую к хостконтроллеру. "Функции" представляют собой устройства USB, способный принимать или передавать данные или управляющую информацию по шине. Физически в одном корпусе может быть несколько "функций" со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Каждая "функция" предоставляет конфигурационную информацию, описывающую его возможности и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом - ей должна быть выделена полоса в канале, выбраны специфические опции конфигурации. Хаб - ключевой элемент системы Plug-and-Play в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором, точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура подразумевает возможность соединения нескольких хабов. У каждого хаба имеется один восходящий порт (upstream port), предназначенный для подключению к хосту или к хабу верхнего уровня. Остальные порты являются являются нисходящими (downstream) и предназначены для подключения функций и хабов нижнего уровня. Хаб может распознать подключение или отключение устройств к этим портам и управлять подачей питания на их сегменты. Каждый из этих портов индивидуально может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных. Хабы могут иметь возможность управления подачей питания на нисходящие порты, предусмотрена управляемая установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом. Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB делится на интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, взаимодействие между ними показано на рисунке 1. 28 Рис 1. - Взаимодействие компонентов USB Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее функции, интересующие пользователя. Client SW - программное обеспечение, соответствующее конкретному устройству , исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом. USB System SW - системная поддержка USB операционной системой, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО. USB Host Controller - аппаратные и программные средства, обеспечивающие подключение устройств USB к хост-компьютеру. Рис.2. Пример подключения устройств USB 29 Раздел 4. Интерфейсы доступа к СУБД 4.1. Основные аспекты разработки интерфейса Будем предполагать, что разработка АСОИУ осуществляется по технологии быстрого прототипирования. Ее применение для проектирования пользовательского интерфейса означает, что разработка интерфейса осуществляется на протяжении всего цикла разработки автоматизированной системы. Прежде всего, рассмотрим следующие основные аспекты разработки пользовательского интерфейса: состав разработчиков (кемсоздается интерфейс), время разработки (когдасоздается)и модель разработки (каксоздается). Состав разработчиков. Поскольку пользовательские интерфейсы должны быть ориентированы на удобство пользователя, а не на удобство разработчика, то лучше, чтобы разработкой интерфейса занимались люди, не принимающие участие в разработке приложения. Последние слишком много знают о принципах работы программы, а это только мешает созданию интерфейса. В разработчике интерфейса для крупных проектов должны участвовать 3 группы специалистов: - разработчики интерфейсов - специалисты в области программирования, вычислительной техники; - посредники между разработчиками и пользователями (желательно психологи), которые выясняют мнения пользователей об основных элементах интерфейса и описывают их; - создатели графики (художники-дизайнеры). Время разработки интерфейса. Большинство руководителей проектов по разработке приложений ждет завершения проекта, чтобы приступить к интерфейсу. Это напоминает постройку дома, когда архитектора приглашают после постройки каркаса здания. В работе даже небольшой группы с самого начала должны принимать участие хотя бы консультанты по интерфейсу. На протяжении всей разработки необходимо консультироваться с пользователями. При этом посредники между рабочей группой и пользователями могут не только выяснять мнения пользователей, но и заниматься проверкой удобства интерфейса, созданием документации, обучением пользователей. Не следует ждать, когда проект будет реализован в виде программы, лучше поскорее проверить проект у пользователей, даже если он существует пока только на бумаге. Это позволит избежать лишних затрат времени и ресурсов на переделку проекта. Модель разработки. Традиционно на протяжении долгого времени для разработки прикладного интерфейса использовалась "разговорная" модель, в которой взаимодействие пользователя с системой рассматривалось в виде диалога. Пользовательский интерфейс являлся модулем, обеспечивающим 30 языковую связь с прикладной моделью, и структурно состоял из лексической, синтаксической и семантической компонент. Развитие идей объектно-ориентированного программирования существенно изменило подходы к проектированию интерфейса взаимодействия. Объектно-ориентированная модель интерфейса представляет собой совокупность объектов (модулей), полученных путем декомпозиции и образующих иерархию классов. Каждый объект имеет свое состояние и поведение. Состояние объекта определяется атрибутами (характеристиками). Поведение объекта формируется методами (действиями), которые он может выполнять при определенных условиях - событиях. При описании модели может быть использован подход MVC(Model/View/ControllerМодель/Вид/Контроллер), который предполагает, что описание каждого объекта состоит из трех компонент. Компонент "модель" содержит структурную информацию об объекте, компонент "вид" обеспечивает внешнее представление объекта на экране, компонент "контроллер" обеспечивает выполнение действий в ответ на инициируемые пользователем (или другим объектом) события [16]. Перейдем к рассмотрению содержание работ по проектированию интерфейса на 3-х основных этапах проектирования АСОИУ: анализ требований, логическое проектирование, физическое проектирование. 4.2 Стадия анализа требований Прежде, чем приступать к разработке интерфейса, следует понять назначениепрограммного продукта во всех деталях. Нужно получить ответы на два вопроса: "Зачем вы реализуете данный проект, для решения какой проблемы?" и "Почему возникла данная проблема (ее корни)?" Если предполагаемое решение не устраняет корни проблемы, то его не стоит реализовывать. Затем необходимо составить каталог пользователей, в котором описать группы предполагаемых пользователей. Для каждой группы нужно указать тип пользователей (случайный, регулярный, программист, оператор), уровень знаний в области информационных технологий, профессию (если это имеет значение). Эта информация должна учитываться при проектировании интерфейса: очевидно, что для пользователей с низким уровнем знаний в области вычислительной техники интерфейс будет другим, чем для пользователей-программистов. Следующий шаг - составление каталога требованийк создаваемой системе. Он включает в себя: - требования (ограничения) по оборудованию, которое применяют пользователи, в том числе тип компьютера, размеры экрана и т.д. - требования по технологии использования программного продукта: как часто будет использоваться продукт, какой объем работ будет выполняться с его помощью, с какими приложениями он должен сопрягаться и др. - требования пользователей к стилю интерфейса на основе личных, профессиональных привычек и опыта работы с определенными программами. 31 На основе информации, содержащейся в каталоге пользователей и каталоге требований, разрабатываются руководящие указания по стилю пользовательского интерфейса. 4.3. Стадия логического проектирования На данном этапе формируется глобальная структура диалогового взаимодействияпользователя с проектируемой системой. Она формируется на основе: описания задач и функций системы; схемы их взаимодействия; описания структуры данных (файлов, баз данных). Структура взаимодействия системы с пользователем и внешними данными в самом общем виде приведена на рис. 6.6. Каждый из обобщенных компонент - "пользователь", "система" и "данные" может быть продекомпозирован (разбит) на составляющие: "пользователь" на группы пользователей; " данные " - на отдельные файлы; "система" - на функциональные блоки (задачи). Полученные подсистемы можно рассматривать как объекты, для каждого из которых создается спецификация, содержащая некоторые описательные атрибуты. Для составления спецификаций могут быть использованы базовые абстрактные классы описаний. Например, абстрактный класс "функциональный блок" может содержать атрибуты, приведенные в таблице 6.3. Таблица 6.3 Описание класса "функциональный блок" Атрибут Значения Назначение Описание назначения блока, его цели Описание Общий обзор действий блока Внешнее отображение Связанные с блоком экранные элементы (окно) Входные/выходные данные Содержание входных и выходных потоков данных База данных Используемая информация Входные/выходные сигналы управления Содержание входных и выходных сигналов управления и действий, осуществляемых по этим сигналам блоком постоянная 32 Структура взаимодействия объектов - функциональных блоков, файлов и пользователей должна отражать потоки данных и потоки управления. На рис. 6.7 приведен пример схемы взаимодействия, где потоки данных обозначены толстыми стрелками, потоки управления - тонкими. Следует описать все потоки данных и потоки управляющей информации. Обозначение потоков данных начинается с буквыD(Data), потоков управления - с буквыC(Control). После буквы через черточку указывается блок-отправитель и блок-получатель потока. Например, описание потоков данных и управления, которыми обмениваются блок 2 "пользователь" и блок 4 "поиск данных" может быть следующим: C2-4 - команда проведения поиска D4-2 - система запрашивает ввод шаблона поиска D2-4 - пользователь вводит шаблон поиска Вся информация о взаимодействии системы с пользователем может быть сведена к матрице "роль пользователя/ функция системы", структура которой приведена в таблице 6.4. Таблица 6.4 Матрица "роль пользователя/ функция системы" Функциональный блок Роль пользователя управление входные данные выходные данные Функция 1 Функция 2 33 4.4. Стадия физического проектирования На данном этапе проектирования уточняется структура диалогового взаимодействия, т.е. уточняются, детализируются описания диалогов, а также осуществляется форматирование экранных интерфейсных элементов (окон, диалоговых окон), разрабатывается система помощи и руководство пользователя. Форматирование окон. Процесс форматирования окна начинается с уточнения, какая информация должна в нем отображаться. В соответствии с принципом минимального объема памяти пользователя (см. п. 6.1) пользователю не должна выдаваться лишняя, избыточная информация, не связанная с текущим шагом решения задачи. Лишняя информация отвлекает и утомляет пользователя. Пояснения лучше поместить в справочную систему. С другой стороны, важно, чтобы пользователю была предоставлена вся необходимая информация. Он не должен запоминать ранее предоставленную информацию, чтобы воспользоваться ею на данном шаге. Например, если выдается запрос: "Вы желаете сохранить данные в файле?", следует уточнить имя файла, т.к. пользователь может его не помнить. Таким образом, при решении вопроса а содержании информации, помещаемой в окно, следует руководствоваться принципом: "Окно должно содержать только необходимую и достаточнуюинформацию". Затем необходимо определить форму и расположение информации в окне. Имеется несколько полезных правил относительно расположения информации[14,17]: 1. Данные должны располагаться так, чтобы пользователь мог просматривать их в логической последовательности. Как правило, направление просмотра из левого верхнего угла слева направо и сверху вниз. 2. Данные должны располагаться так, чтобы пользователь мог идентифицировать связанные группы информации. Отдельные группы логически связанных данных можно отделять вертикальными и горизонтальными линиями, помещать в отдельные ниши, панели. 3. Информация должна располагаться так, чтобы окно было композиционно "уравновешенным", т.е. "центр тяжести" должен быть примерно посредине окна. Желательно также, чтобы информация не была слишком плотной, чтобы не утомлять пользователя. 4. Расположение одинаковой или сходной информации в различных окнах должно быть согласованно. Желательно использование единого шаблона. Во время проектирования изображений полезно нарисовать их на разлинованной бумаге. При этом те элементы, которые являются общими для различных изображений (например, кнопки Ok,Cancel) следует помещать в одно место. 5. Выбор цвета и цветовых сочетаний не должен быть хаотичным. Вот несколько советов по использованию цвета: - используйте минимальное количество цветов (не более 3 - 4-х), т.к. слишком пестрые изображения быстро утомляют глаза; 34 - для фона лучше использовать более спокойные тона. Если в изображении используется большое количество цветов, фон лучше сделать белым или серым. На светлом фоне цвета кажутся ярче и легче воспринимаются при различном внешнем освещении; - текст и изображение должны четко выделяться на фоне. Нельзя использовать желтый цвет на белом фоне и синий - на черном; - некоторые комбинации неприятны для глаз, например, голубой цвет символов на красном фоне; - нужно учитывать общепринятые представления о цветах. Например, красный цвет считается цветом опасности и его лучше использовать в сообщениях об ошибках. Проектирование справочной системы. Наличие справочной службы значительно облегчает пользователю процесс обучения работе с системой. Гипертекстовая контекстно-зависимая справочная система предоставляет пользователю возможность получать справочную информацию по отдельной теме (в первую очередь связанной с текущим шагом) с возможностью перехода на другие темы через активизацию перекрестных ссылок. В предыдущих главах Вы уже ознакомились, как создавать справочную систему для приложений TurboVisionиWindows-приложений. Здесь же рассмотрим некоторыесоветы по планированию системы справок и созданию текстов справок: 1. Полезно организовывать систему справок таким образом, чтобы она имела древовидную структуру. Самый первый раздел должен содержать перечень основных разделов. Это своеобразный каталог (содержание) всей справочной информации. Любой раздел может содержать список подчиненных разделов (см. рис. 6.2). Не следует делать слишком запутанную систему ссылок, это лишь затруднит пользователю поиск нужной справочной информации. 2. Каждый раздел, по возможности, должен полностью отображаться в распахнутом окне. Избегайте слишком длинных пояснений, длинный раздел лучше разбить на несколько связанных подразделов. Учтите, что люди считают текст на экране гораздо медленнее, чем напечатанный текст. 3. Старайтесь излагать справочную информацию простым и ясным языком с использованием примеров, иллюстраций. Можно использовать юмор, но не переусердствуйте в этом. Не используйте профессиональный жаргон. 4. Избегайте тесноты "монолитный" текст очень утомляет и затрудняет усвоение информации. Вставляйте пустые строки, абзацы, рисунки, выделяйте важную информацию шрифтом и цветом. Но помните, что слишком "раскрашенный" текст тоже может утомлять. 35 Раздел 5. SCADA –система TRACE MODE 1. Единая линия программирования. 2. Разработка сетевого комплекса как единого проекта. 3. Автопостроение. Раздел 6. Графический интерфейс в среде TRACE MODE 1. Структура построения графического интерфейса в среде 2. TRACE MODE. Распределенная многоуровневая АСУТП на базе Trace Mode. 3. Единое сетевое время 36 37