Для передачи электрических сигналов между различными устройствами (например, между датчиком и усилителем или между усилителем и АЦП) используются аналоговые линии связи, т.е. обычные электрические провода и кабели. В случае же, когда необходимо передавать цифровую информацию, используются специальные интерфейсы – комплексы программных и аппаратных
средств и протоколов (алгоритмов взаимодействия). Обычно интерфейс состоит из:
· шины (или магистрали) – набора электрических линий (проводов), по которым передаются информационные и служебные сигналы;
• адаптеров приемника и передатчика – специальных устройств, которые реализуют протоколы обмена информационными и служебными сигналами.
По способу передачи данных по шине интерфейсы можно разделить на параллельные и последовательные.
Параллельные интерфейсы
Позволяют передавать элементы информации (например, отдельные биты) независимо друг от друга по разным линиям шины; теоретически, они обеспечивают высокую скорость передачи данных, но сложней в реализации и использовании. Практической реализации быстрых параллельных интерфейсов мешает эффект взаимного электрического влияния сигналов, распространяющихся по соседним линиям шины.
По назначению интерфейсы можно разделить на внутренние (или системные) - предназначенные для объединения составных частей одного устройства, и внешние – предназначенные для организации информационного обмена между независимыми устройствами.
1. Последовательный интерфейс RS-232 можно отнести к классу внешних интерфейсов. Он позволяет передавать данные между двумя устройствами со скоростями до 115 килобит/с на расстояние до 15 метров (при уменьшении скорости возможно увеличение дальности передачи до 1 км). Международный стандарт на этот интерфейс описывает передачу данных по 25 линиям, но в простейшем случае достаточно кабеля с двумя линиями: одна используется для передачи данных, другая - как общая «земля». Интерфейс RS-232 используется для подключения к различным типам ЭВМ манипуляторов «мышь», модемов, контрольно-кассовых аппаратов, медицинских анализаторов, АТС, цифровых осциллографов, программаторов и т.п. В ПЭВМ имеется устройство, организующее обмен данными по стандарту RS-232, это COM-порт.
2. Последовательные интерфейсы RS-422 и RS-485 являются дальнейшим развитием RS-232. В отличие от RS-232, они позволяют соединять вместе не два, а большее количество устройств (до 32); передавать данные с более высокой скоростью на большие расстояния (от 62.5 кбит/с на 1200 м до 10 мбит/c на 10 м). Но международные стандарты на эти интерфейсы не описывают никаких протоколов передачи данных, поэтому RS-422 и RS-485 служат как физическая база для организации других интерфейсов.
3. Параллельный интерфейс КАМАК относится к классу системных интерфейсов. Он является исторически первым и наиболее типичным представителем семейства интерфейсов, служащих базисом для построения магистрально-модульных систем (ММС). В основе таких систем лежит магистраль, заключенная в открытый с одной стороны металлический корпус – крейт. Различные функциональные компоненты системы (так называемые функциональные модули), вставляемые в разъемы магистрали, располагаются внутри крейта, словно книги в полке книжного шкафа – этим
обеспечивается высокая надежность системы и устойчивость ко внешним воздействиям. В КАМАК предусмотрено всего 25 разъемов, они называются «станциями». Номенклатура модулей огромна: существуют модули усилителей и нормализаторов, модули АЦП, модули ЦАП, модули мультиплексоров и демультиплексоров, модули внешних запоминающих устройств (винчестеров,
дисководов, флэш-накопителей и пр.), модули таймеров и счетчиков, модули управления роботами, модули декодирования сигналов с видеокамер и т.п. В крейте КАМАК обязательно должен присутствовать один «главный» модуль (так называемый «крейт-контроллер»), который управляет передачей данных по шине между отдельными модулями. Он может быть оформлен как
интерфейс к внешней ПЭВМ, либо содержать внутри себя микроЭВМ.
4. Параллельные интерфейсы VME/VXI, CompactPCI, PXI и пр. относятся к классу системных интерфейсов и так же предназначены для построения ММС. Они являются развитием архитектурной идеологии, использовавшейся ранее в интерфейсе КАМАК: предусматривают наличие крейта и функциональных модулей. VME/VXI и CompactPCI могут использоваться в качестве «полноценного» системного интерфейса, позволяющего на основе общей шины объединять процессорный модуль, модуль оперативной памяти, модули внешних устройств и прочие компоненты ЭВМ.
5. Прочие интерфейсы. Среди прочих интерфейсов, используемых в АСУ и СРВ, можно отметить:
• последовательный внешний интерфейс CANbus, часто используемый для организации распределенных бортовых (автомобильных и авиационных) систем управления;
• последовательный внешний интерфейс Industrial Ethernet, являющийся оптимизированной под задачи реального времени модификацией сетевого интерфейса Ethernet;
• комбинированный интерфейс HART, позволяющий одновременнопередавать цифровые данные и аналоговые сигналы.
Последовательный внешний интерфейс USB, параллельные системные интерфейсы PCI, ISA, AGP, параллельный сетевой интерфейс Ethernet редко используются в системах реального времени.
В зависимости от используемых интерфейсов возможны различные варианты объединения компонентов УСО и подключения к ЭВМ.
1. Автономное исполнение. Компоненты УСО представляют собой комбинированное измерительные и управляющие устройства, сочетающее в себе усилители, АЦП, коммутаторы, микроконтроллеры и пр. Информационная связь с ЭВМ осуществляется посредством одного из стандартных интерфейсов связи (RS-232, RS-485, USB, приборного интерфейса GPIB и т.п.). Также возможно использование этих интерфейсов для сетевого объединения автономных компонентов друг с другом.
2. В составе магистрально-модульных систем. Компоненты УСО, ЭВМ и ее внешние устройства представляют собой функциональные модули («кубики») магистрально-модульных систем на базе КАМАК, VME/VXI, PXI, CompactPCI и пр. Обмен данными производится по системной шине магистрально-модульной системы.
3. Подключение к внутренним интерфейсам универсальных ЭВМ. Компоненты УСО изготавливаются в виде плат расширения универсальных ЭВМ и подключаются к их внутренним системным интерфейсам (ISA, PCI и пр.).
Все компоненты «монолитной» ОС работают в режиме супервизора в едином адресном пространстве. Главное достоинство таких ОС – высокая производительность. Главный недостаток – невозможность внесения каких-либо изменений в структуру операционной системы в процессе ее эксплуатации, т.е. плохая масштабируемость. Другой недостаток – невысокая реактивность системы, т.к. если внешнее событие, требующее немедленной реакции, происходит во время выполнения задач уровня ядра, то обработка этого события задерживается до возвращения на уровень приложений.
Особенность «микроядерных» ОС – наличие компактного и быстродействующего «микроядра», работающего в режиме супервизора, а все остальные компоненты операционной системы, включая менеджеры ресурсов, при этом работают в непривилегированном режиме. «Микроядерный» подход обеспечивает хорошую гибкость и масштабируемость операционной системы, малое время реакции на внешние события. С другой стороны, «микроядерные» операционные системы отличаются относительно невысокой производительностью, т.к. при работе происходят частые переключения из режима в режим. Встраиваемые ОСРВ преимущественно строятся в соответствии с «микроядерной» архитектурой. В фирменной документации на ОСРВ обычно указывают числовые значения временных характеристик, таких как:
• предельное время переключения с задачи на задачу;
• предельная задержка между возникновением прерывания и началом его обработки;
• предельное время выполнения запроса прикладной программы к ядру ОС;
• предельное время переключения из режима «супервизора» в «непривилегированный» режим и обратно, и т.п.