Интерфейсы асоиу

1. Необходимость создания систем автоматизации на основе сети устройств. Архитектуры систем: Scada, Dcs. Человеко-машинный интерфейс. Система MES. Система сбора и обработки первичной информации.

2. Пирамида информационных систем Классификация интерфейсов. Создание приложений мониторинга систем автоматизации под современные операционные системы. DDE. OLE2. OPC. ORB.DCOM.

3. Централизованная система управления. Децентрализованная система управления. Интерфейсы. Основы организации и классификация интерфейсов. Понятие совместимости.

Классический подход

Для управляющих систем традиционна централизованная структура (Рис. 1-1). Исходя из централизованности системы, управляющее вычислительное устройство запрашивает данные датчиков или приборов и после обработки возвращает их обратно. Датчики, как и исполнительные механизмы, не обладают интеллектом. Более современная структура включает в себя концентраторы (Рис. 1-16), которые заменили длинные параллельные линии передачи данных. Преимущества такого подхода известны: улучшенная электрическая совместимость, более простое формирование соединений, низкая стоимость линий передачи данных, экономия на клеммах и т. д. Однако возникают трудности, связанные с переходом от одних принципов передачи данных к другим, так как во многих случаях отсутствует совместимость ряда параметров. Результатом этого становится усложнение управляющей станции. С появлением интегральных микроэлементов широкое распространение получили контроллеры с программируемой памятью, прошедшие стандартизацию в условиях эксплуатации. Причем с развитием микропроцессорной техники цены на аппаратное обеспечение резко снизились.

Тем временем обозначилась новая тенденция - замена контроллеров с программируемой памятью промышленными персональными компьютерами, которые обладают рядом преимуществ. Во-первых, они позволяют применять более доступное по цене аппаратное обеспечение; во-вторых, можно разработать простое в применении и недорогое программное обеспечение, которое поставляют различные фирмы, постоянно совершенствуя его. Значительно реже возникает необходимость самостоятельной разработки и обслуживания. Единственной проблемой может быть выбор подходящих программ реального времени, предлагаемых рынком в достаточном количестве.

Децентрализованный подход

С некоторого времени получили широкое распространение шинные системы, в частности Fieldbus-системы² (Рис. 1-2), которые по сравнению с концентраторами данных экономически более выгодны. Fieldbus-системы представляют собой новую технологию, которая предлагает новый образ мышления при системном проектировании. Узлы Fieldbus-системы могут децентрализованно использовать интеллект для управления, регулирования и контроля. В предельном случае это может быть система с полным отсутствием центрального управления (функции контроллеров с программируемой памятью, очевидно, распределяются между различными узлами сети, такими как датчики, исполнительные механизмы и устройства индикации). То, что данный подход позволяет мыслить совершенно иначе, понятно на таком примере.

Представим себе стаю уток, летящих в форме треугольника (Рис. 1-3). Если они управляются централизованно, то «центральный компьютер» постоянно должен рассчитывать траекторию полета для каждой утки. Если хотя бы одна из них будет застрелена охотником, то компьютер с помощью соответствующего алгоритма, должен будет снова заполнить образовавшееся пустое пространство, изменив траекторию полета остальных уток. Естественно, для такой сложной системы, как центральный компьютер, подобный алгоритм реализовать непросто.

Предположим теперь, что утки объединены в сеть посредством некой Fieldbus-системы (Рис. 1-3). Теперь требуется лишь задать каждой утке угол, под которым она должна лететь по отношению к впереди летящей, и расстояние до нее. Если какая-либо из уток будет застрелена, то система относительно быстро восстановится сама и для заполнения пустого пространства не потребуется каких-либо дополнительных затрат. Интеллект каждой утки в этом случае может быть относительно невысоким.

Само собой разумеется, что и в центрально-ориентированную систему могут быть встроены простые параллельные процессы, как это сделано в Fieldbus-системах. Однако такое решение при разработке центрально-ориентированной системы не напрашивается. Центрально-ориентированная система «принуждает» разработчика думать централизованно, строя сложные алгоритмы. К тому же в центрально-ориентированной системе всегда используются дорогостоящие многозадачные пользовательские системы, требующие больших затрат на разработку и обслуживание. Устройства Fieldbus-систем, наоборот, применяют в больших количествах, поэтому себестоимость их производства весьма мала.

Стандартный интерфейс — совокупность унифицированных технических, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах обработки информации (СОИ) при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.

Основная функциям интерфейсов — обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости СВТ.

Информационная совместимость — согласованность действий функциональных элементов в соответствии с совокупностью логических условий. Логические условия определяют: структуру и состав унифицированного набора шин; набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности их выполнения для различных режимов функционирования; способ кодирования и формат команд, данных, адресной информации и информации состояния; временные соотношения между управляющими сигналами, ограничения на их форму и взаимодействие.

Логические условия информационной совместимости определяют функциональную и структурную организацию инетерфейса. Условия информационной совместимости влияют на объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также на основные технико-экономические показатели интерфейса.

Электрическая совместимость — согласованность статистических и динамических параметров электрических сигналов в .системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение устройств интерфейса и техническую реализацию приемопередающих элементов (ППЭ).

Условия электрической совместимости определяют: тип ППЭ; соотношение между логическими и электрическими состояниями сигналов и пределы их изменений; коэффициенты нагрузочной способности ППЭ и значения допустимой емкостной и резистивной нагрузок в устройстве; схему согласования линий; допустимую длину линии и порядок подключения линии к разъемам; требования к источникам и цепям электрического питания; требования по помехоустойчивости. Большинство условий электрической совместимости обычно регламентируются стандартом. Условия электрической совместимости влияют на основные показатели интерфейса, в частности-на скорость обмена данными, предельно допустимое число подключенных устройств, их конфигурацию и расстояние между устройствами, помехозащищенность.

Конструктивная совместимость — согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта соединений и механической замены схемных элементов, блоков и устройств.

Условия конструктивной совместимости определяют: типы соединительных элементов (разъем, штеккер и распределение линий связи внутри соединительного элемента); конструкцию платы, каркаса, стойки; конструкцию кабельного соединения.

Условия конструктивной совместимости в рекомендациях стандартных интерфейсов не всегда определяются полностью, а в некоторых могут отсутствовать или иметь несколько вариантов использования (разъемов, типов кабеля и т.п.).

Основные направления развития интерфейсов: повышение уровня унификации интерфейсного оборудования и стандартизация условий совместимости наиболее распространенных интерфейсов на основе опыта их широкого использования, а также достижений современной микроэлектронной технологии; модернизация и расширение функциональных возможностей существующих интерфейсов с сохранением условий совместимости вследствие более современной технологии средств передачи информации; создание принципиально новых интерфейсов и интерфейсных систем и выработка требований на их унификацию и стандартизацию, обусловленные в первую очередь разработкой систем с параллельной распределенной обработкой информации на основе качественно новых принципов организации вычислительного процесса.

4. Архитектура интерфейсов. Принципы организации интерфейсов. Функциональная организация интерфейсов. Классификация интерфейсов

Принципы организации интерфейсов. Линии интерфейсов — электрические цепи, являющиеся составными физическими связями интерфейса. Шина — совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению. Магистраль — совокупность всех линий интерфейса. Выделяются две магистрали: информационного канала и управления информационным каналом. По информационной магистрали передаются коды адресов, команд, данных, состояния. Аналогичные наименования имеют соответствующие шины интерфейса.

Шины адреса предназначены для выборки в магистрали узлов устройства, ячеек памяти. Для логической адресации в основном используется двоичный код. В некоторых интерфейсах применяется позиционное или географическое кодирование, при котором каждой позиции (месту) для выборки выделяется отдельная линия. В этом случае используется термин "географическая* адресация".

Шины команд используются для .управления операциями на магистрали. В стандартах на интерфейс регламентируется минимально необходимый набор команд. В некоторых интерфейсах часть кодов команд резервируется для возможного расширения. По функциональному назначению различают следующие виды команд: адресации, управления обменом информации, изменения состояния в режиме работы. Первый вид команд используется для задания следующих режимов адресации: вторичной, широковещательной, групповой и т.п. Наиболее распространенными командами являются: "Запуск", "Чтение", "Запись", "Конец передачи".

Шины данных используются для передачи в основном двоичных кодов (в формате машинных кодов во внутрисистемных интерфейсах, стандартных кодов типа ASCII в интерфейсах измерительных систем). Как правило, в параллельных интерфейсах данные кратны байту (8, 16, 24, 32 разрядов), в некоторых интерфейсах байты сопровождаются битами четности (паритета), а также идентификаторами разрядности (по числу байтов) передаваемых данных (1, 2, 3, 4 байт).

Шины состояния используются для передачи сообщений, описывающих результат выполнения операции на интерфейсе или состояния устройств сопряжения. Коды формируются в ответ на действие команд или отображают состояния функционирования устройств, таких как готовность, занятость, наличие ошибки и т.д. В наиболее стандартизованных интерфейсах разряды состояния унифицированы для любых типов устройств, в других носят рекомендательный характер или отсутствуют.

В большинстве интерфейсов коды адресов, данных, команд, состояний передаются по шинам интерфейса с разделением времени в режиме временного мультиплексирования сигнала по одним и тем же линиям с использованием дополнительных линий идентификации типа передаваемой информации. При этом существенно сокращается число линий информационной магистрали, однако происходит снижение быстродействия передачи информации. Перспективные параллельные интерфейсы СОИ характеризуются преимущественным использованием мультиплексируемых магистралей.

Магистраль управления информационным каналом по функциональному назначению делится на следующий ряд шин: управления обменом, передачи управления, прерывания, управления режимом работы, специальных сигналов.

Шина управления обменом включает в себя линии синхронизации передачи информации. В зависимости от используемого принципа обмена (синхронного, асинхронного) число линий может меняться от одной до четырех. При синхронной передаче темп выдачи и приема данных задается регулярной последовательностью сигналов (в том числе по переднему и/или заднему фронту сигнала синхронизации), при этом используется одна или две отдельные линии, выполняемые в основном двунаправленными. Асинхронная передача происходит при условии идентификации приемников (приемниками) готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных.

Шина передачи управления используется для реализации операций приоритетного занятия магистрали (арбитража ресурсов шины). Состав и конфигурация шины зависят от структуры управления интерфейсом. Различают децентрализованную и централизованную структуры. В интерфейсах духточечного подключения двух устройств (типа ИРПР, ИРПС) шина передачи управления отсутствует.

Шина прерывания применяется в основном в системных интерфейсах ЭВМ и программно-модульных системах управления и измерения для идентификации устройства, запрашивающего сеанс связи. Устройство идентифицируется либо адресом источника прерывания, либо адресом программы обслуживания прерывания, так называемым вектором прерывания.

Шины управления режимом работы и специальных управляющих сигналов содержат линии, обеспечивающие работоспособность интерфейса, в том числе приведение устройств в исходное состояние, контроль источников питания, контроль и службу времени и т.п.

Структуры связей интерфейсов. Подразделяются на следующие классы: магистральная, радиальнаяю, цепочечная и смешанная (комбинированная). Взаимосвязь устройств (связность линии) возможна с использованием однонаправленной или двунаправленной передачи сигналов. В перспективных интерфейсах в основном применяют двунаправленные линии.

Функциональная организация интерфейсов. Можно выделить ряд основных функций, реализация которых обеспечивает информационную совместимость: селекция информационного канала, синхронизация обмена информацией, координация взаимодействия, обмен и преобразование формы представления информации.

Арбитраж (селекция) обеспечивает выполнение процесса взаимодействия сопрягаемых элементов системы посредством разрешения конфликтов двух уровней доступа: устройства к информационному каналу интерфейса; одного устройства к другому. Первый уровень разрешается селекцией информационного канала, второй — координацией взаимодействия.

Централизованная структура управления арбитражем характеризуется наличием отдельного функционального узла управления операциями селекции (арбитраж) и в основном наличием разомкнутых линий шин перадачи управления и прерывания.

В децентрализованной структуре схема арбитра симметрично распределена по устройствам сопряжения, а соответствующие линии являются двунаправленными или замкнутыми однонаправленными.

Классификация интерфейсов.

Выделяют следующие основные классификационные признаки:

1. способ соединения компонентов (магистральный, радиальный, цепочечный; смешанный или комбинированный);

2. способ передачи информации (параллельный, параллельно-последовательный);

3. принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный, изохронный);

4. режим передачи информации (двухсторонняя, односторонняя, двухсторонняя поочередная,

односторонняя).

Указанные признаки характеризуют только определенные аспекты организации интерфейсов.

Более полная характеристика и классификация интерфейсов базируется на совокупности нескольких основных признаков:

• область распространения или функциональное назначение;

• логическая и функциональная организации;

• физическая реализация.

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно разделить на следующие основные классы: системные (машинные или ввода-вывода) интерфейсы ЭВМ; сосредоточенных магистральных мультипроцессорных систем; периферийного оборудования (общего назначения и специализированные); сетей передачи данных (стыки и протоколы); программно-управляемых модульных систем и приборов; локальных вычислительных сетей различных типов; распределенных систем общего назначения и управления; малых локальных сетей микроконтроллеров.

Классификация интерфейсов по логической и функциональной организации может

быть выполнена раздельно для информационного и управляющего каналов по

основному и дополнительному признакам, каждый из которых может быть отмечен

соответствующей . мнемоникой. Ниже отражены основные • и дополнительные

признаки классификации интерфейсов:

Основные признаки Дополнительные признаки