Понятия сбалансированный компьютер аппаратный интерфейс. Аппаратные, програмные и пользовательские интерфейсы информационных систем - реферат
В компьютерной системе два участника – программное и аппаратное обеспечение. Программное обеспечение – это все программы, установленные на компьютере, а аппаратное обеспечение – узлы и оборудование, которые находятся внутри системного блока или подключены снаружи.
Взаимосвязь между участниками компьютерной системы называют интерфейсом. Взаимодействие между различными узлами – это аппаратный интерфейс, взаимодействие между программами – программный интерфейс, а взаимодействие между аппаратурой и программами – аппаратно-программный интерфейс.
В компьютере аппаратный интерфейс обеспечивают изготовители оборудования. Они следят за тем, чтобы все узлы имели одинаковые разъемы и работали с одинаковыми напряжениями. Согласование между программным и аппаратным обеспечением выполняет операционная система.
Интерфейс пользователя.
Если речь идет о персональном компьютере, то можно указать и третьего участника работы с компьютерной системой – это человек (его принято называть пользователем). Пользователю тоже надо взаимодействовать с аппаратным и программным обеспечением.
Существуют различные программы и с каждой надо работать по-разному. Одни программы рассчитаны на работу с клавиатурой, другие – на работу с мышью, прочие на работу с джойстиком или другими устройствами управления. Одни программы свои сообщения выдают в виде текстов на экране, другие – в виде графики, прочие могут вообще не пользоваться экраном и выдавать сообщения в виде речи или звуков. Способ взаимодействия человека с программой и программы с человеком называют интерфейсом пользователя. Если программа сделана так, что с ней работать удобно, говорят, что она имеет удобный интерфейс пользователя. Если техника работы с программой понятна сразу, без необходимости изучать инструкции, говорят, что она имеет интуитивно понятный интерфейс. Понятие развитый интерфейс пользователя предполагает, что у программы большие возможности, но учиться работать с ней непросто. Гибкий интерфейс означает, что с программой можно работать многими разными способами. Понятие жесткий интерфейс означает, что возможна только такая работа, которая предусмотрена инструкцией, и никакая другая. Понятие примитивный интерфейс означает, что интерфейс прост для изучения, но неудобен для работы.
Итак, в каждой операционной системе существует несколько видов интерфейсов:
· командный (текстовый) интерфейс;
· текстовый или графический полноэкранный интерфейс;
· графический многооконный пиктографический интерфейс;
· интерфейс API .
Рассмотрим каждый интерфейс более подробно:
Всякая операционная система имеет командный интерфейс (иногда в скрытой форме).
В первой из ОС (OS/360) взаимодействие с пользователями было жестко поделено между следующими компонентами:
(JCL – Job Control за управление вычислительным прочесом). Это язык диалогового режима – команда запуска – остановки задач, привязки носителей информации к устройствам, получения информации о заданиях, ожидающих выполнения, вывода, наличия свободной памяти и свободных устройств и др.
Язык управления заданиями (JCL – Job Control Language), на котором прочие пользователи (программисты, разработчики и просто конечные пользователи) описывали состав и структуру процесса обработки данных – последовательность запуска программ, входные и выходные файлы, условия, при которых те или иные программы должны быть выполнены или пропущены и др. Это язык пакетной обработки, не допускающий вмешательства пользователя в собственно процесс вычисления, компиляции и пр.
В большинстве ОС в настоящее время сложился более или менее унифицированный формат командной строки. Командная строка включает в себя:
· Тип операции (имя команды или программы);
· Рабочий вход (входные файлы или устройства);
· Рабочий выход (выходные файлы или устройства);
· Управляющий вход (управляющие параметры или ключи команды);
· Управляющий выход (обычно – протокол, содержащий диагностику ошибок, код завершения или другую информацию).
Командная строка - приглашение оболочки, обозначающее готовность системы принимать команду пользователя, - в наиболее явной форме демонстрирует идею диалога. На каждую введенную команду пользователь получает ответ от системы: либо очередное приглашение, обозначающее, что команда выполнена и можно вводить следующую, либо сообщение об ошибке, представляющее собой высказывание системы о произошедших в ней событиях, адресованное пользователю. При работе в операционной среде с графическим интерфейсом происходящий диалог пользователя с системой не столь очевиден, хотя с точки зрения системы клик мышью в определенной области на экране аналогичен команде, введенной с клавиатуры, а ответ системы пользователю может быть представлен в виде диалогового окна.
Текстовый или графический полноэкранный интерфейс.
Он имеет, как правило, в верхней части экрана систему меню с подсказками. Меню часто бывает выпадающим (ниспадающим – pull-down).
Для управления компьютером курсор экрана или курсор мыши после поиска в древе каталогов устанавливается на командные файлы программ (*.exe, *.com, *.bat) и для запуска программы нажимается клавиша или правая кнопка мыши. Различные файлы могут выделяться разным цветом или иметь разный рисунок. Каталоги (папки) отличаются от файлов размером или рисунком. Данный интерфейс является основным для всех видов программных оболочек.
Графический многооконный пиктографический интерфейс.
Представляет собой рабочий стол (DeskTop), на котором располагаются пиктограммы (значки или иконки программ). Все операции производятся, как правило, мышью. Для управления компьютером курсор мыши подводят к пиктограмме и запуск программы осуществляют щелчком левой кнопки мыши по пиктограмме. Это наиболее удобный и перспективный интерфейс, осебенно при работе с программами. Примеры: интерфейс с компьютеров Apple Macintosh, Windows 3.1, Windows 95/98, OS/2, XP, Vista.
Графический интерфейс пользователя (GUI – Graphics User Interface). Появление ОС и оболочек с развитыми диалоговыми графическими средствами (OS Macintosh, Windows 3.1, а особенно Windows 95/98/ME, а также NT/2000) и средств программирования, позволяющих создавать графические интерфейсы (FoxPro for Windows и пр.), а особенно – объектно–ориентированных систем программирования – привело к внедрению и широкому распространению элементов экранного интерфейса.
Оболочка Microsoft Windows не была изначально операционной системой, так как она существует «поверх» операционной системы типа MS-DOS. Она возникла в виде стандартизатора графического интерфейса и прижилась исключительно потому, что пользователь хотел видеть программу, с которой ему часто приходится работать, красивой, практичной, удобной и легкой в освоении и использовании.
Интерфейс API.
Интерфейс прикладного программирования (иногда интерфейс программирования приложений) (англ. Application Programming Interface, API [эй-пи-ай]) - набор готовых классов, функций, структур и констант, предоставляемых приложением (библиотекой, сервисом) для её использования во внешних программных продуктах.
API как средство интеграции приложений
API определяет функциональность, которую предоставляет программа (модуль, библиотека), при этом API позволяет абстрагироваться от того, как именно эта функциональность реализована. Если программу (модуль, библиотеку) рассматривать как чёрный ящик, то API - это множество «ручек», которые доступны пользователю данного ящика, которые он может вертеть и дёргать.
Программные компоненты взаимодействуют друг с другом посредством API. При этом обычно компоненты образуют иерархию - высокоуровневые компоненты используют API низкоуровневых компонентов, а те, в свою очередь, используют API ещё более низкоуровневых компонентов.
По такому принципу построены протоколы передачи данных по Internet. Стандартный протокол Internet (сетевая модель OSI) содержит 7 уровней (от физического уровня передачи пакетов бит до уровня протоколов приложений, подобных протоколам HTTP и IMAP). Каждый уровень пользуется функциональностью предыдущего уровня передачи данных и, в свою очередь, предоставляет нужную функциональность следующему уровню.
Важно заметить, что понятие протокола близко по смыслу к понятию API. И то, и другое является абстракцией функциональности, только в первом случае речь идёт о передаче данных, а во втором - о построении компьютерных приложений.
API библиотеки функций и классов включает в себя описание сигнатур и семантики функций.
Рассмотрим интерфейс взаимодействия двух приложений WEB-броузера и WEB-сервера (поскольку эти приложения обычно располагаются на разных машинах и, соответственно, на разных программно-аппаратных платформах используем термин программно-аппаратный интерфейс).
При реализации интерфейса взаимодействия WEB - приложений используется протокол HTTP (Hypertext Transfer Protocol - протокол передачи гипертекcта), который представляет собой протокол прикладного уровня и обеспечивает возможность доступа к разнообразной информации, размещенной в сети WWW- World Wide Web. Протокол HTTP обладает высокопроизводительными механизмами тиражирования информации, независимо от типа представления данных. Протокол построен по объектно-ориентированной технологии и может использоваться для решения различных задач, например, управления распределенными информационными системами.
Способность хранить и представлять данные разнообразных форматов (изображения, видео, аудио) делает сеть WWW с используемым HTTP уникальным средством размещения информации.
В настоящее время протокол HTTP используется системой WWW качестве одного из основных протоколов. С учетом этого рассмотрим подробнее методы работы протокола HTTP.
Протокол HTTP позволяет получать доступ к информационным ресурсам и сервисам WWW-серверов. Для унификации доступа к многофункциональным ресурсам сети WWW-серверы поддерживают комплекс интерфейсов, позволяющих структурировать уровни и методы доступа к сетевым ресурсам. По сути, каждый из интерфейсов представляет собой объект сети со своими методами и своей структурой. Для поиска и отображения информации, размещенной в сети WWW, применяются специальные приложения, называемые Web-браузерами. Согласованное взаимодействие объектов (клиентских и серверных) и составляет понятие программного интерфейса.
Рассмотрим составляющие программно-аппаратных интерфейсов на основе протоколов уровня приложений.
URI (Uniform Resource Identifier, Идентификатор ресурса), URL (Uniform Resource Locator, Местонахождение ресурса), URN (Uniform Resource Name, Имя ресурса) - разные аспекты идентификации одного и того же сервиса, определяющие тип, метод доступа и расположение узла сети, на котором находятся ресурс, доступный через сеть Интернет. Этот сервис состоит из трех частей.
1) Схема. Идентифицирует тип сервиса, через который можно получить доступ к сервису, например WWW-сервер.
2) Адрес. Идентифицирует адрес (хост) ресурса, например, www.ripn.net.
3) Имя или путь доступа. Идентифицирует полный путь к ресурсу на выбранном хосте, который мы хотим использовать для доступа к ресурсу, например, /home/images/image l.gif.
Например, файл readme.txt, расположенный на сайте Microsoft (WWW-сервере), представляет собой ресурс с идентификатором: http://www.microsoft.com/readme.txt. Это означает, что для обращения к ресурсу должен использоваться протокол HTTP, (схема доступа отделена двоеточием ":" и указывает название использованного протокола), следующие два слэша отделяют адрес сервера www.microsoft.com; а также) имя файла /readme.txt.
Как правило, когда имеют в виду компьютер, на котором расположен ресурс, используют значение URL или URN, а когда обозначают ресурс полностью (тип, хост, путь) используют URI. Нет ошибки, если используется одно обозначение вместо другого, но обязательно следует пояснить, что оно значит в контексте.
Идентификатор URI может содержать не только имя ресурса, но и параметры, необходимые для его представления. Имя ресурса отделяется от строки параметров символом "?". Строка параметров состоит из символьных групп с постоянной структурой (лексем), разделяемых символом "&", каждая такая лексема состоит из имени параметра и его значения, разделенных символом "=", символ пробела " " заменяется знаком "+". Символы лексем, не входящие в набор символов ASCII, заменяются знаком "%" и шестнадцатеричным значением этого символа. Для указанного ресурса вся строка параметров является одним строковым параметром, поэтому тип, порядок следования или уникальность имен отдельных параметров строки не существенны. Например:
http://www.exe.com/bm/scrshell.run?in=10&go=ok+and+ok&event=l&event=2
Этот идентификатор URI содержит 4 параметра, три из которых - чиcловые, а два имеют одно имя. Анализ и разбор значений отдельных параметров целиком возлагается на идентификатор URI, в данном примере на ресурс scrshell.run.
HyperText Markup Language (HTML) - это язык описания информации, хранимой в сети WWW. HTML-файл может содержать специальные коды, обозначающие присоединенную графическую, видео или аудио информацию или исполняемые коды среды отображения информации (Web-браузер - Java Script, Java). Для языков Java и JavaScript приложение Web-браузер представляет операционную систему или среду, в которой они выполняются, а Web-страница является ресурсом, выделенным для их работы. Эти языки не строят Web-страницу по данным пользователя, а используют ее как платформу для своих действий и действий пользователя. Когда Web-браузер получает доступ к этому файлу, он сначала интерпретирует закодированную в HTML-файле информацию, а затем в соответствующей форме представляет эту информацию пользователю.
Буквы "НТ" в названии протокола HTML обозначают "HyperText" - основную концепцию размещения информации в сети WWW. Документы HyperText содержат специальные связи, которые называются гиперссылками (hyperlinks) и размещаются в тексте документа. Гиперссылки позволяют пользователю не только переходить от одной части этого документа к другой, но и обращаться к другим связанным документам, размещенным в сети WWW.
Common Gateway Interface (CGI) - это стандарт расширения функциональности WWW, позволяющий WWW-серверам выполнять программы, аргументы которых может определять пользователь. Интерфейс CGI расширяет возможности пользователя и позволяет ему выполнять программы, ассоциированные с данной Web-страницей, предоставляя таким образом возможность получения динамической информации из WWW-сервера. Например, пользователь такого WWW-сервера может получить самую последнюю информацию о погоде, выполнив программу, которая запрашивает прогноз погоды на текущий момент из базы данных. Интерфейс CGI в основном играет роль шлюза между WWW-сервером и внешними исполняемыми программами. Он получает запрос от пользователя, передает его внешней программе и затем возвращает результаты пользователю через построенную динамически Web-страницу. При этом построенные Web-страницы могут коренным образом отличаться друг от друга, поскольку они формируются в прямой зависимости от параметров, определяемых пользователем.
Механизм интерфейса CGI также является универсальным и может передавать данные между любыми WWW-серверами. Поскольку интерфейс CGI основан на исполняемых файлах, нет ограничений на тип программы, которая будет в нем исполняться. Программа может быть написана на любом из языков программирования, позволяющих создавать исполняемые модули. CGI-программа также может быть написана с использованием командных языков операционных систем, таких как Perl или Shell.
В настоящее время широко используется технология активных серверных страниц ASP (Active Server Pages). По сути, эта технология представляет применение того же самого стандарта CGI, только на уровне объектно-ориентированного подхода к построению Web-страниц.
Контрольные вопросы
1. Как реализуются интерфейсы взаимодействия приложений?
2. Каковы основные составляющие интерфейса взаимодействия на примере WEB-приложений?
3. Какие функции реализует интерфейс CGI?
Тема 13. Интерфейс информационного взаимодействия программных приложений. Интерфейс взаимодействия программных приложений на примере HTTP. Передача запросов и ответов.
Рассмотрим интерфейс взаимодействия программных приложений на примере HTTP.
Интерфейс реализуется последовательно.
Первый этап - это когда HTTP-клиент (броузер) соединяется с сервером. Для этого он использует протокол TCP/IP, и соединение происходит с известным клиенту TCP-портом. Принятый номер порта HTTP - 80; для других сервисов определены другие TCP-порты.
Вторым этапом является запрос клиента: клиент передает заголовок запроса (Request header) и, возможно (в зависимости от метода), тело сообщения запроса. В заголовке обязательно указываются метод, URL и версия HTTP. Там может быть еще несколько необязательных полей, которые тоже дают серверу информацию о том, как обрабатывать запрос.
Третий этап - ответ сервера, который состоит из заголовка (Response header), в котором сервер указывает версию HTTP и код статуса, который может говорить об успешном или неуспешном результате и его причинах. После заголовка идет тело ответа, отделенное от заголовка пустой строкой.
Четвертым этапом является разрыв TCP/IP соединения.
Request header может выглядеть следующим образом:
GET /MyDoc.htm HTTP/1.1
Connection: Keep-Alive
Host: 212.54.196.226
Здесь: MyDoc.htm - имя запрашиваемого документа; GET - тип запроса; Host - IP-адрес; Accept- форматы данных "понимаемых" клиентом.
Request header, приведенный ниже, получен от документа, содержащего форму:
POST /Scripts/ReadData.pl HTTP/1.1
Referer: http://212.54.196.226
Connection: Keep Alive
User-Agent: Mozilla/3.0 (Win95; I)
Host: 212.54.196.226
Accept: image/gif, image/x-bitmap,
Content-type: application/x-www-form-urlencoded
Content-length: 38
FirstName=Mary+Ann&LastName=Sylvester
Здесь: POST - метод передачи данных из формы; Referer - адрес web-страницы, с которой пользователь перешел на документ, содержащий форму.; Content-type - способ кодировки передаваемых данных; Content-length - количество передаваемых данных (байт); FirstName, LastName - имена полей формы; Mary+Ann, Sylvester - передаваемые значения (пробел заменен знаком "+").
Web-сервер отвечает на запрос браузера, посылая ему HTML-файл, которому предшествует Response header.
Типичный Response header содержит следующие данные:
Server: Microsoft-IIS/4.0
Content-type: text/html
Set-Cookie: ASPSESSIONIDFFFYXKFR=ACMNFLJANKGBAMPBEGNGLEAB
{ HTML - код }
Этот заголовок сформирован сервером. Строка "200 OK" - это статус запроса. Если бы сервер не смог обработать запрос, то он сформировал бы сообщение об ошибке, например, "404 Object Not Found"; Content-type - тип содержимого. Браузер отображает документ (интерпретирует его код именно как HTML-код, поскольку Content-type имеет значение text/html) и ждет, когда клиент запросит (щелкнув по гиперссылке) очередную страницу этого сайта или перейдет на другой сайт. Если страница содержит изображение (например, формата jpeg), оно будет направлено web-сервером клиенту вместе с другим Response header, где Content-type будет иметь значение image/jpeg. Set-Cookie - устанавливает значение cпециальной информации записываемой на компьютере клиента. В этом поле хранится идентификатор текущей сессии.
Рассмотрим пример и разберём подробнее HTTP запрос клиента. Он может выглядеть например так:
POST http: //localhost/ HTTP/1.1
Accept-Language: ru
Proxy-Connection: Keep-Alive
paraml=l¶m2=2
Из примера видно, что запрос начинается со слова "POST". Это слово означает метод передачи данных на сервер, в котором дополнительные данные запроса (строка "param1=1¶m2=2") передаются после заголовка.
В HTML документах метод передачи данных указывается в форме отправки сообщений. Например, для того, чтобы получить этот запрос, была использована следующая форма:
Как видно из примера, параметры записываются в виде
[имя параметра1]=[значения параметра1]&[имя параметра2]=[значения параметра2] & ...
Часто употребим метод запроса - "GET". Фактически все запросы, не требующие отправки данных - например запрос страницы, производятся этим способом. Изменим форму запроса:
получим следующий HTTP запрос:
GET http://localhost/?param1=1¶m2=2 HTTP/1.1
Accept: image/gif, image/x-xbitmap, image/jpeg, image/pjpeg, */*
Accept-Language: ru
User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 6.0; Windows NT 5.0)
Proxy-Connection: Keep-Alive
Как видно, строка "paraml=l¶m2=2" переместилась выше и добавилась к строке "http://localhost/" после знака"?". Так же изменилось первое слово в HTTP заголовке, остальное осталось без изменения.
Достоинством метода GET является то, что в строке браузера видно, какие данные были отправлены. К недостаткам же относится то, что длина отправляемых данных таким способом (в отличие от метода POST) ограничена - некоторые серверы, как и некоторые браузеры, имеют лимит на длину адреса запрашиваемого документа. Соответственно адрес с длинной строкой запроса может быть либо срезан, либо сервер возвратит ошибку "414 Request-URI Too Long".
Литература: 1осн.,2осн.,7доп.,9доп..
Контрольные вопросы
1. Сколько этапов включает интерфейс взаимодействия приложений по НТТР?
2. Каков смысл заголовка Request header в интерфейсе взаимодействия приложений по НТТР?
3. Каков смысл заголовка Response header в интерфейсе взаимодействия приложений по НТТР?
4. Как компоненты, реализующие пользовательский интерфейс связаны с интерфейсом взаимодействия приложений по НТТР?
Интерфейс (взаимодействие) – это взаимосвязь между компонентами и участниками микропроцессорной системы.
В входят: аппаратное обеспечение, программное обеспечение и человек . Поэтому выделяют следующие виды интерфейсов:
аппаратный интерфейс;
программный интерфейс;
интерфейс пользователя.
Программный интерфейс обеспечивается операционной системой (если таковая имеется). Наиболее распространенными интерфейсами пользователя являются графический интерфейс (например, рабочий стол PC с иконками или кнопки команд в редакторе Microsoft Office Word) и интерфейс «джойстика», когда мы выбираем необходимую нам команду, перемещаясь по меню (например, мобильные телефоны, программируемые контроллеры), что также является видом графического интерфейса.
Аппаратный интерфейс представляет собой систему шин, разъемов, согласующих устройств, алгоритмов и протоколов, обеспечивающих связь всех частей микропроцессорной системы между собой. От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность системы.
В развернутых микропроцессорных системах для разгрузки процессора аппаратный интерфейс обеспечивается контроллерами. Контроллер – это специализированная микросхема, предназначенная для выполнения функций контроля и управления. Контроллер осуществляет управление работой устройства, например, жестким диском, оперативной памятью, клавиатурой и обеспечивает взаимосвязь этого устройства с другими участниками МС.
Управление шинами осуществляют мосты . В сложных МС, например, таких как персональный компьютер, центральное место занимает «чипсет» (ChipSet) – набор мостов и контроллеров. Чипсет включает две главные микросхемы, которые традиционно называют южный мост и северный мост (рисунок 1). Северный мост обслуживает системную шину, шину памяти, AGP (ускоренный графический порт) и является главным контроллером компьютера. Южный мост обслуживает работу с внешними устройствами (шина PCI - шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств).
Рисунок 1 - Организации обмена данными в персональных компьютерах (РС)
Наиболее сложна организация взаимодействия процессора и внешних устройств, что связано с большим их разнообразием.
Параллельные интерфейсы характеризуются тем, что в них для передачи бит используются отдельные сигнальные линии, и биты передаются одновременно. Классическим параллельным интерфейсом является LPT-порт .
Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно.
Простейшим последовательным интерфейсом, получившим распространение как в PC, так и в промышленных системах, является стандарт RS-232 , реализуемый СОМ - портами . В промышленной автоматике широко применяется RS-485 .
(Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) обеспечивает подключение к компьютеру большое количество разнообразных периферийных устройств, в том числе мобильные телефоны и бытовую электронику.
Первая спецификация интерфейса имела название USB 1.0, в настоящее время используется спецификация USB 2.0, современные устройства интерфейсом спецификации USB 3.0.
Стандарт USB 2.0 содержит в себе четыре линии: приём и передача данных, питание +5 В и корпус. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет еще четыре линии связи (2 на прием и две на передачу) и корпус.
Шина USB имеет высокую пропускную способность (USB 2.0 обеспечивает максимальную скорость передачи информации до 480 Мбит/с, USB 3.0 - до 5,0 Гбит/с) и обеспечивает не только передачу данных, но и питание маломощных внешних устройств (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА для USB 2.0 и 900 мА для USB 3.0), что позволяет не использовать внешних источников питания.
Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют уйти от кабелей связи, что особенно актуально для малогабаритных устройств, по размеру и весу соизмеримых с кабелями. В беспроводных интерфейсах используются инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Bluetooth, USB wireless) диапазонов.
Инфракрасный интерфейс IrDA позволяет осуществлять беспроводную связь между двумя устройствами на расстоянии до 1 метра. Инфракрасная связь - IR (Infra Red) Connection - безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством.
Bluetooth (синий зуб) - радиоинтерфейс с низким энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей, обеспечивающий передачу данных в режиме реального времени на небольшие расстояния. Каждое устройство Bluetooth имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диа¬пазоне частот 2,4 ГГц. Дальность действия радиоинтерфейса составляется около 100 м - для покрытия стандартного дома.
Беспроводной USB (USB wireless) – радиоинтерфейс малой дальности с высокой пропускной способностью: 480 Мбит/с на расстоянии до 3 метров и 110 Мбит/с на расстоянии до 10 метров. Работает в диапазоне частот 3,1 - 10,6 ГГц.
Интерфейс RS-232 (RS - recommended standard - рекомендованный стандарт) соединяет два устройства - компьютер и устройство передачи данных. Скорость передачи - 115 Кбит/с (максимум), расстояние передачи - 15 м (максимум), схема соединения - от точки к точке.
Сигналы этого интерфейса передаются перепадами напряжения величиной (3…15) В, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров из-за низкой помехоустойчивости. Чаще всего используется в промышленном оборудовании, в персональном компьютере использовался для подключения манипулятора типа «мышь», модема. Интерфейс RS-232 принципиально не позволяет создавать сети, так как соединяет только 2 устройства.
Рисунок 2 - Разъем RS-232 типа DB9
Интерфейс RS-485 - широко распространенный высокоскоростной и помехоустойчивый промышленный последовательный интерфейс двунаправленной передачи данных. Практически все современные компьютеры в промышленном исполнении, большинство датчиков и исполнительных устройств содержат в своем составе ту или иную реализацию интерфейса RS-485.
Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников (витая пара). Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов (по одному проводу идет оригинальный сигнал, а по другому - его инверсная копия.). Разница напряжений одной полярности между проводниками означает логическую единицу, разница другой полярности - ноль.
При наличии внешних помех, наводки в соседних проводах одинаковы, и так как сигналом является разность потенциалов в проводниках, уровень сигнала остаётся неизменным. Это обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более с использованием специальных устройств – повторителей).
Интерфейс RS-485 обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме (Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени). Широко используется в промышленности при создании АСУ ТП.
Ethernet (ether - эфир) - технология передачи данных, используемая в большинстве локальных компьютерных сетей. Этот интерфейс базируется на стандарте IEE 802.3. Если интерфейс RS-485 можно рассматривать по принципу «один ко многим», то Ethernet работает по принципу «многие ко многим».
В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов:
Ethernet - 10 Мбит/с
Быстрый (Fast) Ethernet - 100 Мбит/с
Гигабитный (Gigabit) Ethernet - 1 Гбит/с
10-гигабитный Ethernet
В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, витая пара (невысокая стоимость, высокая помехоустойчивость) и оптоволоконный кабель (создание более длинных линий и высокоскоростных каналов связи).
(twisted pair) - вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых пластиковой оболочкой.
Например, кабель FTP (foiled twisted pair - витая пара с общим экраном из фольги и медным проводником для отвода наведенных токов), 4 пары (solid), категория 5e (рисунок 3). Кабель предназначен для стационарной прокладки внутри зданий, сооружений и эксплуатации в структурированных кабельных системах. Разработан для приложений, работающих в частотном диапазоне с верхней границей 100 МГц.
Рисунок 3 - Витая пара: 1 - Внешняя оболочка, 2 - Экран-фольга, 3 - Дренажный провод, 4 - Защитная пленка, 5 - Витая пара
На физическом уровне протокол Ethernet реализован в виде сетевых карт, встраиваемых в микропроцессорные системы, и концентраторов, соединяющих системы друг с другом.
На основе Ethernet строят промышленные сети (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink), которые успешно конкурируют с ранее разработанными сетями Profibus, DeviceNet, CANopen и др.
Введение . 3
1.1Характеристики аппаратных интерфейсов . 5
1.2 Функции и классификация аппаратных интерфейсов . 8
Глава 2 Обзор применяемых интерфейсов по их характеристикам и области применения . 13
2.1Последовательные интерфейсы .. 13
2.2 Параллельные интерфейсы, особенности .. 20
Заключение . 28
Список использованных источников и литературы .. 29
Введение
Актуальность исследования. Мы живем в веке информационных технологий. Современные реалии наполняют нашу жизнь терминами и понятиями, которые мы активно используем, далеко не всегда будучи уверенными в их значении.
Такое понятие как «интерфейс» пришло к нам в то время, когда появились первые вычислительные машины. Этот термин имеет несколько значений, но суть каждого из них сводится к взаимоотношению человека и машины. Интерфейс это средство, которое помогает человеку распоряжаться компьютером.
Если обратиться к различным источникам, можно получить несколько толкований слова «интерфейс»:
· это граница между двумя устройствами или системами, обусловленная их качествами
· это все множество средств и способов, обеспечивающее взаимодействие между двумя структурами или системами
Заглянем в англо-русский словарик: interface (сущ.) - сопряжение, поверхность раздела, перегородка, interface (гл.) – соединять, взаимодействовать, interface (прил.) – граничный.
Обобщив полученные данные перевода, можно сделать вывод, что интерфейс – это граница в двух системах, средах, программах или устройствах, а условия взаимодействия через эту границу определяются как характеристиками тех самых систем/ сред/ устройств/ программ, так и условиями соединения.
Причем, данное понятие распространяется не только на информационно-вычислительные системы, но и на любые другие не связанные с IT. Например, известный каждому человеку со школьной скамьи процесс диффузии тоже своего рода интерфейс, а вилка (или ложка) обеспечивает удобный и интуитивно-понятный процесс транспортирования еды между тарелкой и организмом человека.
Можно выделить 3 типа интерфейса: 1. Пользовательский – то есть пользователь выполняет какие-либо действия. В данном случае: нажал на клавишу «Пуск».
2. Программный – то есть взаимодействие на программном уровне, когда одна программа обменивается данными с другой. В примере это стандартный запуск загрузочных системных файлов: config.sys, bio.sys, утилиты и т.п
3.Аппаратный интерфейс: сетевое взаимодействие – соединение между ПК (ноутбуком, нетбуком и т.д.) и сетью (локальной или Интернетом). Связь через сетевой шлюз - локальная сеть подключается к более крупной сети. Компьютерная шина – то есть своего рода коммутатор внутри отдельно взятого электронного устройства.
Цель курсовой работы проанализировать аппаратные интерфейсы, определить понятие аппаратного интерфейса, дать характеристику.
Объект исследования: аппаратные интерфейсы.
Предмет исследования: аппаратные интерфейсы и их характеристика.
Задачи курсовой работы:
· Дать общую характеристику аппаратным интерфейсам, рассмотреть понятие, функции и классификацию аппаратных интерфейсов;
· Сделать обзор применяемых интерфейсов по их характеристикам и области применения.
Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.
Глава 1 Общая характеристика, понятие и организация аппаратных интерфейсов
Характеристики аппаратных интерфейсов
Аппаратный интерфейс – совокупность алгоритмов обмена и технических средств, обеспечивающих обмен между устройствами. В семиуровневой сетевой модели OSI аппаратный интерфейс соответствует физическому и частично канальному уровню, которые определяют физическую и логическую организацию аппаратного интерфейса.
Рисунок 1.1 Аппаратный интерфейс
Логическая организация: группы взаимодействующих объектов, характер взаимодействия, адресное пространство, система команд, информация о состоянии объектов, фазы в работе интерфейса, форматы данных, набор процедур по реализации взаимодействия и последовательность их выполнения для различных режимов функционирования. Физическая организация интерфейса определяется электрической и конструктивной совместимостью сопрягаемых устройств.
К основным характеристикам аппаратных интерфейсов относятся:
1. Скорость передачи (пропускная способность, производительность). Производительность оценивается количеством информации (полезной), передаваемой в секунду. Избыточная информация может достигать 90%. Производительность связана с понятием тактовой частоты. Также на неё влияет разрядность шины данных.
2. Протяжённость. Протяжённость связана и влияет на производительность интерфейса, определяется типом сопрягаемых устройств вычислительной системы.
3. Тип сопрягаемых устройств вычислительной системы.
4. Топология. По топологии выделяют:
Радиальные интерфейсы.
Шинные интерфейсы (моноканал).
Цепочечные интерфейсы.
Интерфейсы со сложной топологией (каждый с каждым, произвольная
топология, гиперкуб и т.д.).
5. Разрядность слова данных (последовательный или параллельный интерфейс).
6. Синхронный или асинхронный интерфейс. Важнейшим моментом в работе аппаратных интерфейсов является синхронизация передачи информации.
Синхронизация – это согласование процессов взаимодействия между устройствами, заключающееся в передаче информации источником и ее приема приемником (одним или несколькими). Существуют два основных режима синхронизации: синхронный и асинхронный.
7. Симплексный, полудуплексный, дуплексный обмен.
Одной из характеристик аппаратных интерфейсов является разрядность слова данных, которая позволяет делить интерфейсы на последовательные, последовательно-параллельные и параллельные. От этой характеристики зависит стоимость аппаратуры и кабельного соединения, а также производительность интерфейса, его помехозащищенность. Последовательный интерфейс предполагает для передачи данных в одном направлении единственную сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно.
Примеры последовательных интерфейсов: RS-232, SPI, I 2 C.
В параллельном интерфейсе для передачи данных в одном направлении используется несколько линий (8, 16, 24, 32, 64). Примеры параллельных интерфейсов: ISA, ATA, SCSI, PCI, IEEE 1284/Centronics. С понятием параллельного интерфейса соседствуют такие понятия, как шина и магистраль.
Шина – совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению (например, шина адреса, шина данных и т.д.).
Магистраль – совокупность всех линий аппаратного 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) выделяется отдельная линия выборки. В этом случае используется термин «географическая адресация».
Шины данных используются для передачи в основном двоичных кодов. Как правило, в параллельных интерфейсах шины данных кратны байту (8, 16, 24, 32 разряда).
Шины состояния используются для передачи сообщений, описывающих результат операции на интерфейсе или состояния устройств сопряжения. Коды формируются в ответ на действие команд или отображают состояние 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.
Шина управления включает в себя линии синхронизации передачи информации. В зависимости от используемого принципа обмена (синхронного, асинхронного) число линий может меняться. Кроме того, данная шина используется для управления операциями на магистрали. По функциональному назначению различают следующие команды: адресации, управления обменом информацией, изменения состояния и режимов работы. Адресные команды используются для задания режимов адресации: вторичной, широковещательной, групповой и т.п. Наиболее распространенными командами являются: чтение, запись, конец передачи, запуск.
Шины передачи управления используется для реализации операций приоритетного занятия магистрали информационного канала (арбитража ресурсов шины).
Шина прерывания применяется в основном в системных интерфейсах.
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.
Интерфе́йс по́льзователя , он же по́льзовательский интерфейс (UI - англ. user interface) - разновидность интерфейсов, в котором одна сторона представлена человеком (пользователем), другая - машиной/устройством. Представляет собой совокупность средств и методов, при помощи которых пользователь взаимодействует с различными, чаще всего сложными, машинами, устройствами и аппаратурой.
Программный интерфейс - функциональность, которую некоторый программный компонент предоставляет другим программным компонентам.
Можно различать два вида такой функциональности:
та, что используется при создании прикладных программ - интерфейсом программирования приложений (API);
та, что используется при создании системных компонентов и может называться интерфейсом программирования компонентов операционной системы или интерфейсом системного программирования (SPI, англ. system programming interface).
Аппаратно-программный интерфейс - это функции программы, управляющие вводом/выводом информации на внешние устройства.
3. Система счисления. Позиционные и непозиционные системы счисления. Основание. Разряд.
Система счисле́ния - символический метод записи чисел, представление чисел с помощью письменных знаков.
Система счисления:
даёт представления множества чисел (целых и/или вещественных);
даёт каждому числу уникальное представление (или, по крайней мере, стандартное представление);
отражает алгебраическую и арифметическую структуру чисел.
В позиционных системах счисления один и тот же числовой знак (цифра) в записи числа имеет различные значения в зависимости от того места (разряда), где он расположен. Изобретение позиционной нумерации, основанной на поместном значении цифр, приписывается шумерам и вавилонянам; развита была такая нумерация индусами и имела неоценимые последствия в истории человеческой цивилизации. К числу таких систем относится современная десятичная система счисления, возникновение которой связано со счётом на пальцах.
В непозиционных системах счисления величина, которую обозначает цифра, не зависит от положения в числе. При этом система может накладывать ограничения на положение цифр, например, чтобы они были расположены в порядке убывания.
Разряд (позиция, место) - это структурный элемент представления чисел в позиционных системах счисления. Разряд является «рабочим местом» цифры в числе. Порядковому номеру разряда соответствует его вес - множитель, на который надо умножить значение разряда в данной системе счисления.
Основанием системы счисления называется количество цифр и символов, применяющихся для изображения числа. Например р=10.
Определить основание очень легко, нужно только пересчитать количество значащих цифр в системе. Если проще, то это число, с которого начинается второй разряд у числа. Мы, например, используем цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Их ровно 10, поэтому основание нашей системы счисления тоже 10, и система счисления называется “десятичная”. В вышеприведенном примере используются цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 (вспомогательные 10, 100, 1000, 10000 и т. д. не в счет). Основных цифр здесь тоже 10, и система счисления – десятичная.
