автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Принципы организации и методы проектирования стандартных интерфейсов микро-ЭВМ

Введение.

ГЛАВА I. Анализ интерфейсов микро-ЭВМ и основные задачи их разработки. II

1.1. Классификация интерфейсов микро-ЭВМ, их назначение и основные характеристики . II

1.2. Внутренние интерфейсы микро-ЭВМ и задачи, возникающие при их разработке

1.3. Внешние интерфейсы микро-ЭВМ и задачи, возникающие при их разработке

1.4. Основные задачи и этапы проектирования интерфейсов микро-ЭВМ.

Выводы.

ГЛАВА 2. Исследование принципов функциональной и структурной организации интерфейсов

2.1. Модель интерфейсной системы

2.2, Функциональная организация интерфейсной системы

2.3, Структурная организация интерфейсной системы

2.4. Основные технические характеристики интерфейсных систем.

Выводы.

ГЛАВА 3, Разработка основных характеристик внутриплатного интерфейса микропроцессорного набора БИС повышенной функциональной сложности

3.1. Общая постановка задач синтеза интерфейсов

3.2. Определение основных требований, условий и ограничений, предъявляемых к характеристикам внутриплатного интерфейса

3.3. Выбор структурной организации внутриплатной интерфейсной системы.

3.4. Выбор функциональной организации внутриплатной интерфейсной системы. •

Выводы.

ГЛАВА 4. Разработка методики проектирования стандартных интерфейсов пользователя на базе микро-ЭВМ

4.1. Основные этапы методики проектирования стандартных интерфейсов пользователя на базе микро-ЭВМ

4.2. Реализация основных интерфейсных функций приборного интерфейса на многоплатной и одноплатных микро-ЭВМ семейства "Электроника С5И

4.3. Реализация интерфейсных функций приборного интерфейса на однокристальной микро-ЭВМ "Электроника С 5-31".

Выводы.

Современный этап развития вычислительной техники характеризуется интенсивным ростом производства микропроцессоров и микро-ЭВМ, которые являются в настоящее время наиболее массовыми средствами вычислительной техники. В основные направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года указано: ". развивать производство и обеспечить широкое применение . встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, . Опережающими темпами развивать производство быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним.". Решение этих задач обеспечивается совершенствованием известных и созданием новых научно-технических принципов построения средств вычислительной техники, позволяющих повышать эффективность разрабатываемых устройств и систем и сокращать сроки их внедрения в различные области народного хозяйства* Вопрос выработки единого набора правил сопряжения между собой самостоятельных узлов ЭВМ (процессора, устройств памяти и устройств ввода-вывода), подключения периферийных устройств и, наконец, объединение нескольких ЭВМ в единую систему является важным для любого класса современных вычислительных машин: универсальных ЭВМ высокой, средней и малой производительности, специализированных управляющих и мини-ЭВМ,

С появлением микро-ЭВМ проблема интерфейса стала еще более актуальной, затронув существенно более широкий круг отраслей науки и техники. Во-первых, микро-ЭВМ - самый массовый класс современных ЭВМ. Во-вторых, микро-ЭВМ применяются главным образом в качестве встраиваемых устройств, в связи с чем решение проблемы интерфейса во многом определяв! процесс проектирования чрезвычайно широкого круга приборов, станков, агрегатов и систем.

Важность проблемы интерфейса для микро-ЭВМ определяется также тем, что эта проблема распадается на две части: "интерфейсы для микро-ЭВМ" (в традиционной для вычислительной техники постановке) и "микро-ЭВМ для интерфейсов", т.е. применение микроЭВМ в качестве универсального программируемого элемента для реализации протоколов сопряжения между собой различного оборудования (нескольких измерительных приборов в единую систему; нескольких автоматизированных станков в единый участок, управляемый от центральной ЭВМ; аппаратуры передачи данных, образующей совместно с каналами связи некоторую сеть связи и т.д.).

Рассмотрение такой сложной и двойственной проблемы выдвигает ряд теоретических и прикладных вопросов, направленных на решение двух основных задач:

1. Разработка структурной и функциональной организации интерфейса для вновь создаваемых микропроцессорных наборов больших интегральных схем(БИСПовышенной функциональной сложности.

2. Использование ресурсов дополнительной, либо входящей в состав устройства микро-ЭВМ, для организации сопряжения устройства с системой, построенной на базе стандартного интерфейса.

Несмотря на достаточно большое количество публикаций, посвященных, в основном, качественному анализу существующих интерфейсов, в литературе практически отсутствуют работы, результаты которых позволяют эффективно решать указанные задачи. Поэтому на практике эти задачи решаются на основе опыта и интуиции разработчика, что может привести к неоправданным материальным и временным затратам, а в случае создания микропроцессорного набора БИС - к неисправимой потере его эффективности. Таким обра- • зом, тема диссертационной работы актуальна и направлена на дальнейшее совершенствование процесса проектирования средств сопряжения в микро-ЭВМ и системах на юс основе.

Целью работы является создание методики анализа и синтеза интерфейсов, обеспечивающей возможность обоснованного выбора структурной и функциональной организации вновь создаваемых интерфейсов и реализацию стандартных интерфейсов с помощью ресурсов микро-ЭВМ. В соответствии с указанной целью в работе формулируются и решаются следующие задачи.

1. Определение предмета исследования и основных задач проектирования интерфейсов микро-ЭВМ.

2. Разработка и исследование принципов формального описания структурной и функциональной организации интерфейсных систем.

3. Исследование структурной и функциональной организации внутренних интерфейсов микро-ЭВМ и разработка функциональных характеристик внутриплатного интерфейса микропроцессорного набора БИС повышенной функциональной сложности.

4. Разработка методики проектирования интерфейсов пользователя с помощью ресурсов микро-ЭВМ.

5. Применение методики проектирования интерфейсов пользователя для разработки средств сопряжения устройств с приборным интерфейсом по ГОСТ 26.003-80 на базе микро-ЭВМ семейства "Электроника С5И.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ позволил выделить ряд факторов, обуславливающих целесообразность применения ресурсов микро-ЭВМ для реализации интерфейсного элемента, осуществляющего сопряжение устройства с заданным стандартным интерфейсом пользователя,

2. Предложенная методика обеспечивает единый подход к разработке интерфейсных элементов, обеспечивающих сопряжение со стандартным интерфейсом пользователя, на базе ресурсов микро-ЭВМ. Предложенный метод введения дополнительных псевдососгояний позволяет экономить ресурсы микро-ЭВМ при программно-аппаратной реализации набора интерфейсных функций.

3. Предложенные структурные схемы и структура программного обеспечения позволяет встраивать микро-ЭВМ в различные приборы, изменяя лишь часть программного обеспечения, оставляя неизменной программу "ИНТЕРФЕЙС", реализующую диаграммы состояний заданного набора интерфейсных функций.

Использование совместно с программой "ИНТЕРФЕЙС" стандартного программного обеспечения микро-ЭВМ позволяет подключать к каналу общего пользования приборного интерфейса штатные внешние устройства микро-ЭВМ.

5. Предложенное разбиение полного набора интерфейсных функций приборного интерфейса на три пересекающихся подмножества позволяет выпускать для построения сопряжения устройств с каналом общего пользования приборного интерфейса однокристальную микроЭВМ "Электроника C5-3I" одного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе обоснована актуальность рассматриваемой проблемы и сформулированы для решения две основные задачи:

1. Разработка структурной и функциональной организации внутриплатного интерфейса микропроцессорного набора БИС повышенной функциональной сложности.

2. Разработка методики проектирования интерфейсов пользователя с использованием ресурсов дополнительной, либо входящей в состав устройства микро-ЭВМ.

На основе исследований, проведенных в работе, основные результаты можно сформулировать следующим образом:

1. Определены основные функции и назначение интерфейсов микро-ЭВМ, проведена их классификация. По каждому классу интерфейсов определены характеристики, ограничения и требования, которые необходимо учитывать при решении задач проектирования.

2. Предложено формальное описание интерфейсной системы на основе автоматной модели, позволяющее применять для анализа и синтеза интерфейсных систем известные методы теории автоматов. Рассмотрены структурная и функциональная организации интерфейсных систем, что позволило выделить ряд обобщенных параметров, служащих критерием сложности и эффективности интерфейсов.

3. Разработаны функциональные характеристики внутриплатного интерфейса микропроцессорного набора БИС повышенной функциональной сложности. Уровень разработки доведен до выпуска отраслевого интерфейса ОСТ 305.003-81, который использован при разработке интерфейса совместимых микропроцессорных наборов БИС KI80I и К1809.

Разработан единый подход и методика проектирования интерфейсов пользователя с помощью ресурсов микро-ЭВМ.

5. Предложен метод введения дополнительных псевдосостояний, позволяющий экономить ресурсы микро-ЭВМ при программно-аппаратной реализации интерфейсных функций интерфейсов пользователя,

6. Разработаны программы и аппаратура сопряжения для реализации основных интерфейсных функций приборного интерфейса по ГОСТ 26.003-80 для микро-ЭВМ семейства "Электроника С5".

7. Разработаны программы и аппаратура сопряжения для реализации полного набора интерфейсных функций приборного интерфейса для однокристальной микро-ЭВМ "Электроника C5-3I", предназначенной для встраивания в контрольно-измерительную аппаратуру.

1. Автоматизация проектирования цифровых: устройств/ С.И.Баранов, С.А.Майоров, Ю.П.Сахаров, В.А.Селютин. - Л.: Судостроение, 1979. - 264 с.

2. Алексеевский М.А., Гальперин М.П., Игнатьев В.О. О методике исследования режимов работы управляющей машины в реальном масштабе времени. В кн.: Цифровая вычислительная техника и программирование. М.: Сов. радио, 1968, с. 42-50.

3. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь, 1981. - 328 с.

4. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. Л.: Энергия, 1979. - 232 с.

5. Бауманн В., Куртц П., Науманн Г. Стандартные интерфейсы для цифровых измерительных систем. М.: Мир, 1977. - 123 с.

6. Баумс А.К., Гуртовцев А.Л., Зазнова Н.Е. Микропроцессорные средства. Рига: Зинатне, 1977. - 236 с.

7. Бусленко Н.П., Аверкин А.Н. О формальном описании связей между элементами сложной системы. Кибернетика, 1972, № 6, с. 45-53.

8. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1964. - 164 с.

9. Вальков В.М. Микроэлектронные управляющие вычислительные комплексы. Л.: Машиностроение, 1979. - 199 с.

10. Высгавкин Я.П. Сети обмена информацией между ЭВМ. -M.s Наука, 1975. 213 с.

11. Гальперин М.П., Городецкий В.В., Дряпак А.Ф., Огинс-кий В.Н. Проблема внутреннего интерфейса в микропроцессорных системах. Управляющие системы и машины, 1982, № 6, с. 17-24.

12. Глушков В.М. Теория автоматов и вопросы проектирования .цифровых устройств. Кибернетика, 1965, № I, с. 3-II.

13. ГОСТ 26.201-80. Система КАМАК, крейт и сменные блоки. Требования к конструкции и интерфейсу.

14. ГОСТ 26.003-80. Система интерфейса для измерительных устройств с байт-последовательным, бит-параллельным обменом информацией. Требования к совместимости.

15. Джонсон К. Ада последний и окончательный язык? -Электроника, 1981, т. 54, № 3, с. 35-44.

16. Иванников А.Д., Зеленко Г.В. Микропроцессорные средства. В кн.: Заребужная электронная техника, вып. ХУ (219). М.: ЦНИИ "Электроника", 1979, с. 3-103.

17. Иванов В.В. Исследование и разработка интерфейсов для управляющих вычислительных комплексов на базе мини- и микроЭВМ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.г.н.-Киев, 1981. 24 с.

18. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М.: Энергия, 1979. - 528 с.

19. Каган Б.М., Сгашин В.В. Микропроцессоры в цифровых системах. М.: Энергия, 1978. - 192 с.

20. Клигман Э. Проектирование микропроцессорных систем. М.: Мир, 1980. 568 с.

21. Колпаков И.Ф. Критерии выбора стандартных интерфесов. Автометрия, 1980, № 3, с. 28-33.

22. Коул Д. Проблемы стандартизации 16 килобигных ЗУ с произвольной выборкой. Электроника, 1976, № 15, с. 69-71.

23. Кофман А., Крюон Р. Массовое обслуживание. Теория и приложения. М.: Мир, 1965. - 302 с.

24. Куценко А.В., Полосьянц Б.А., Ступин Ю.В. Мини-ЭВМ в экспериментальной физике. М.: ФИ,АН СССР, 1976. - 12 с.

25. Лафри Д.С., Аллен М.С. Синергизм микропроцессора и стандарта 488-1975 ИИЭР. ТИЙЭР, 1978, т. 66, № 2, с. 63-77.

26. Лопатин В.И., Резник Ю.О. Стандартный интерфейс для измерительно-вычислительных систем. Зарубежная радиоэлектроника, 1979, №? 4, с. 3-32.

27. Майоров С.А., Новиков Г.И. Структура электронных вычислительных машин. Л.: Машиностроение, 1979. - 384 с.

28. Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974. - 432 с.

29. Малашевич В.М., Шахнов В.А. Комплексная система стандартизации и унификации микропроцессорных микро-ЭВМ. Электронная промышленность, 1978, № 5, с. 26-29.

30. Мандельштам С.М. и др. Интерфейсы в ИБС многообразие и единство. - Измерения, контроль, автоматизация, 1978. № 2,с. 33-45.

31. Месарович М., Мако Д., Макахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. - 344 с.

32. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: Математические основы. М.: Мир, 1978. - 312 с.

33. Микропроцессорные комплекты интегральных схем: Состав и структура: Справочник/ В.С.Борисов, А.А.Васенков, Б.М.Малаше-вич и др. М.: Радио и связь, 1982. - 192 с.

34. Михальски А., Шмидт В.К. Систематизация и сравнительный анализ интерфейсов ЭВМ. В кн.: Проектирование систем ввода-вывода ЭВМ: Межвуз. сб. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981, -.184 с.

35. Мячев АД, Системные интерфейсы управляющих вычислительных комплексов, Измерения, контроль, автоматизация, 1978, №2, с. 56-58.

36. Мячев А.А. Организация управляющих вычислительных комплексов. М.: Энергия, 1980. - 271 с.

37. Мячев А.А. Системы ввода-вывода ЭВМ. М.: Энергоатом-издат, 1983. - 168 с.

38. Науман Г., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для измерительной техники. М.: Мир, 1982. - 304 с.

39. Нику Дж, Стандартные сопряжения внешних устройств микропроцессоров. ТИИЭР, 1976, г. 64, № 6, с. 76-84.

40. Основы теории вычислительных систем. /Под ред. С.А.Майорова. Учебн, пособие для ВУЗов. М., "Высшая школа", 1978, -408 с.

41. Поса Дж. Близится завершение работ по стандартизации микропроцессоров. Электроника, 1979, № II, с. 103-105.

42. Прангишвили И.В., Сгецюра Г.В. Микропроцессорные системы. М.: Наука, 1980. - 326 с.

43. Райли, 0 стандартизации средств сопряжения элементов вычислительных систем. Электроника, 1970, № 22, с. 49-51.

44. Селютин В.А. Машинное конструирование электронных устройств. М.: Сов. радио, 1977. - 384 с.

45. Снапелев Ю.М., Старосельский В.А. Моделирование и управление в сложных системах. М.: Сов. радио, 1974. 264 с.

46. Соботка 3., Стары Я. Микропроцессорные системы. М.:1. Энергоиздат, 1981. 496 с.

47. Соучек Б. Микропроцессоры и микро-ЭВМ. М.: Сов. радио, 1979. - 520 с.

48. Специализированные ЦВМ / В.Б.Смолов, В.В.Барашенков, В.Д.Байков и др. М.: Высшая школа, 1981. - 280 с.

49. Трояновский В.М. Система КАМАК и задачи, связанные с ее использованием в АСУ ТП. Приборы и системы управления, 1976, № 3, с. 10-12.

50. Турута Е.Н. Мультимикропроцессорные системы. Зарубежная радиоэлектроника, 1979, № 3, с. 3-27.

51. Форс 1. Стандартная микропроцессорная шина, упрощающая задачи разработчиков микрокомпьютеров. Электроника, 1978,15, с. 33-41.

52. Фуллер С.Х., Устерхут Д.К., Раскин Л и др. Мультимикропроцессорные системы. Обзор и пример практической реализации. ТИИЭР, 1978, г. 66, № 2, с. 135-150.

53. Хазанов Б.И. Интерфейсы измерительных систем. М.: Энергия, 1979. - 119 с.

54. Хилбурн Дж., Джулич П. Микро-ЭВМ и микропроцессоры.- М.: Мир, 1979, 464 с.

55. Цвиркун А.Д. Структура сложных систем. М.: Сов. радио, 1975. - 200 с.

56. Шубинский И.Б., Пивень Е.Н. Расчет надежности ЭВМ.- Киев: Техника, 1979. 232 с.

57. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сете**- М.: Статистика, 1980. 279 с.

58. АМ5 Bus System.- IEO, UK National Committee , 198Z . 7?p.

59. BalEey C. Bus standazds enrich miciocomputet looxd variety. -EUctzonic Л в sign, 1S8Z, v.30, a/S^ p. 77-8B.

60. Batpk Т., KistezJ. MP Bus geais up to a 32 -6it futuie.- Electronic Design, №0, v.28t л/74, p. 97-103.

61. BoBezy Ft. Majoz standardization issues of ike proposed IEEE 796 Bus -MultiBus. - Miezopzocessozs and Micza systems, 198Z, v,B9 tJ9, p. 471-474.

62. BoiziU P. IEEE P89B-the FutuzeBus pzoject-Miczopzoces&ozs and Microsystems,1969., v.6, a/9, р.Ш-Ш.

63. ButskyD. Bus foz 6BD00-Based Boaids pzoduced witk team ef/ozt on an international scaleElectronic Design, mi, v.29, л122 , p. 37-39.

64. Buzton U.P. t Dextez A,L. Know a miczocomputers Bus stzuctuze Верге choosing tke MC.~Electxonic Design, 1978, v.26b tjjb , p.

65. Cuskmann R.H. MC Bus standardization Will designezs' needs. Be met ? - EDM, 1978, v.25,aJ4,p.97-№.

66. DeBock R. VERSA Bus a muitipzocesson Bus standard ~ and УМЕ Sus ~ its Euzocatd coantezpazi Micwpvocessozs and Microsystems, 1982, V.6btJ9,pAl5-\*1.

67. Digital miczocomputez kandBook —Maynazd: Digital Equipment Согр. 51975. 25Gp.

68. Elmyvist K.A., Fи timet //., Gustavson Я.В., Moziow Standard Specification Joi S-100 Bus Interface devices„ Compute*, /979, к 1&, л/^, /?.

69. Elsmore Т. Standard Bus foz 8-Bit micza-ptocessot systems. MLcnopvocessozs and Miczo-systems* > 198Я, v.6, /У9,p.455-4-65.

70. EwzoBus A specification.- IEС, UK National Committee, 198Я . 1Z?p.

71. Fast Bus.- USA NIM Committee IEEE, July^ 1980. -Hip.

72. Gustavson В.В. Standards Committee Activities: Aai Update. Compute*, 4979л *42л л/p.£4-84-.

73. Madan PFrederick J. IS J transceiver chips complete GPIB interface. Computet Besign, 4988.> v.24> л/3, /7. 94-402.

74. Microcomputer data ManuaiEUct^onic Design, 497S> vM> tJH> p. 65-44-9.

75. Micvoprocessoz Data Manual-Electronic design, P> 5Ъ-М?.

76. Моъъо*/ 6-. > Toys Т., FuCCmez H. Proposed, standard for ike S-400 Bu&Computet* 1378л v.Yf,iJ 5, p. £4-90.

77. Ogdin C.A, MC Si/s standardisation makes (dotfazs curd) sense. EUN9 4978, v. 25, л/5*, p. ??-S3.

78. Rong PR, Interfacing fundamentals : A Comparison of В toe к Diagrams foi I/O Techniques . -Compute* Design л 4980, v. 49* p. 415-4??.

79. Rang P.R, Interfacing fundamentals: Ъ-Wite Handshake Using Two MicrocomputerComputet Design, Ш4, v. 20, лp. 45 M-459.

80. Special Report: Buses form, the tack Bone computer sg&tems СComputet Standards).- Eleetzonie Design , v. 30, dZB 3 p. 4<i4 -4Ы.

81. VME bus. Specification manua£.~IECa UK MationaC Committee % 4982. 454p.

82. VlliLtSread M. Standards in microcomputer sgstem. oiesign. — Microprocessors and Microsystems л 4978, v.£3 t46, p.dZ9-ZbZ.

83. Wkitworth I.R, designing ftexi&ititg into memo-tg sgstems,. Microprocessors and Micro sg&tems^1979, v.3, 40, рА35-Ш.

84. Willazd F.Ct Interfacing standaidization in the IcLicje contiot system. IEEE Transactions on Industrial Application, 1975, */4л p. 3GZ-364.

85. Williams R.M. LSI chips ease standard 488 6us interfacing. Compute* Design ^ 1979л vJSJ ь!40лp. #3-/3/.

86. Yenckazis L. But tke tight Bus evokes, ike system's Best. Electronic design, 1980, v.as, a/V03 p. /25*-130.89. 796 Micioeomputez System Bus Standazd Ф-IEC, National Committee, i9&Z.~Gbp.