Тема 5.4. Современные последовательные интерфейсы. USB. Интерфейс Fire Ware .

План

· Шина USB.

· Организация.

· Модель передачи данных.

· Протокол.

· Типы передачи данных.

· Электрический интерфейс.

· Применение шины.

· Шина Fire Ware.

· Физический уровень сети.

· Протокол IEEE 1394.

 

Шина USB

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры РС, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Впервые опубликована шина USB версии 1.0. в 1996г.

Весной 2000г. опубликована спецификация USB 2.0., к которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины. Первоначально (в версии 1.0. и1.1.) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полную – 12 Мбит/с и низкую – 1,5 Мбит/с. В версии 2.0. определена еще и высокая скорость – 480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 метров (с использованием промежуточных хабов).

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств. Согласно спецификации USB, устройства могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство – функция USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например: подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и др. Комбинированное устройство, реализующее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами.

Работой всей системы USB управляет хост-контроллер, являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства – исключительно ведомые.

Физическая топология шины USB – многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер. Хаб является устройством разветвлителем. Кроме того, он может являться источником питания для подключенных к нему устройств.

 

Литература

Основная

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и Интерфейсы переферийных устройств. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. – 336 с.: ил.

2. Интерфейсы переферийных устройств / Под ред. Д.В. Пузанкова. – СПб.: Политехника, 2003. – 935 с.: ил.

Дополнительная

1. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети телекоммуникации. - СПб.: Питер, 2005. – 568 с.

2. Хамахер К. Организация ЭВМ. – СПб.: Питер, 2003. – 848 с.: ил.

 

Специальность (шифр), форма обучения	Вычислительные машины, комплексы, системы и сети (230101.65),  очная
Название дисциплины	Интерфейсы переферийных устройств
Курс, семестр	IV, VIII
Ф.И.О. преподавателя – разработчика материалов	Ткачук И.Ю.

Лекция 1 2

Тема 5.5. Шина ISA. Шина PCI.

План

· Шины ISA и EISA.

· Принципы построения.

· Скорость обмена информацией.

· Электрические интерфейсы.

· Назначение контактов разъема.

· Шина PCI.

· Протокол шины.

· Таймеры, задержки и буферы.

· Команды шины и адресация.

· Прерывания.

· Электрический интерфейс.

 

Шина ISA

ISABus (Industry Standard Architecture) - шина расширения, применяется с первых моделей РС и ставшая промышленным стандартом. В компьютере ХТ использовалась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса - 20 бит. В компь­ютерах АТ ее расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса. В таком виде она существует и поныне. Конструктивно, как показано на рисунке, шина выполнена в виде двух щелевых разъемов с шагом выводов 2,54 мм (0,1 дюйма). Подмножество ISA-8 использует только 62-контактный слот (ряды А. В), в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот (ряды С, В). С появлением 32-битных процессоров делались попытки расширения разрядности шины, но все 32-битные шины ISA не являются стандартизованными, кроме ЕISA. Шина РС/104, разработанная для встраиваемых контроллеров на базе РС, отличается от обычной ISA только конструктивно.

Для шины ISA выпущено (и продолжает выпускаться) огромное количество разнообразных карт расширения. Ряд фирм выпускает карты-прототипы, представляющие собой печатные платы полного или уменьшенного формата с крепежной скобой. На платах установлены обязательные интерфейс­ные цепи - буфер данных, дешифратор адреса и некоторые другие. Остальная часть платы свободна, и здесь разработчик может разместить макетный вариант своего устройства. Эти платы удобны для проверки нового изделия, а также для монтажа единичных экземпляров устройства, когда разработка и изготовление печатной платы нерентабельно.

Шина ISA обеспечивает возможность обращения к 8- или 16-битным регистрам устройств, отображенным на пространства ввода-вывода и памяти, непосред­ственно доступные по командам центрального процессора. Диапазон адресов па­мяти для устройств ограничен областью верхней памяти UМА (А0000-FFFFFh), поскольку ниже и выше находится ОЗУ расположенное на системной плате. Для шины ISA-16 настройками СМОS Setap может быть разрешено пространство между 15-м и 16-м мегабайтом памяти (при этом компьютер не сможет исполь­зовать более 15 Мбайт ОЗУ). Процессоры х86 при адресации портов ввода-вы­вода используют только 16 разрядов адреса, так что максимально возможный диапазон адресов ввода-вывода - 0000-FFFFh. Для шины ISA диапазон адре­сов ввода-вывода сверху ограничен количеством задействованных для дешифра­ции бит адреса, нижняя область адресов 0-FFh недоступна (зарезервирована под устройства системной платы). В РС была принята 10-битная адресация ввода-вывода, при которой линии адреса А[15:10] устройствами игнорировались. Та­ким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h—3FFh, то есть всего 758 адресов 8-битных регистров. На некоторые из ад­ресов претендуют стандартные устройства (см. п. 3.3). Впоследствии стали при­менять 12-битную адресацию (диапазон 100h—FFFh). При ее использовании при­ходится учитывать возможность присутствия на шине старых 10-битных адапте­ров, которые “отзовутся” на адрес с подходящими ему битами А[9:0] во всей допустимой области 12-битного адреса четыре раза (у каждого 10-битного адре­са будет еще по три 12-битных псевдонима). Полный 16-битный адрес использу­ется только в шинах Е ISA и РСI.

Шина ISA -8 может предоставить до 6 линий запросов прерываний, ISA-16 - 11. Часть из них могут -«отобрать» устройства системной платы или шина РС1.

Шина 18А-8 позволяет использовать до трех 8-битных каналов ВМА. На 16-битной шине доступны еще три 16-битных и один 8-битный канал.

В каждый момент времени шиной может управлять только одно устройство-задатчик, обращающееся к ресурсам (портам или ячейкам памяти) устройств-исполнителей. Основным задатчиком является контроллер шины, расположен­ный на системной плате. Он формирует запросы к исполнителям по командам обращения к памяти или вводу-выводу, выполняемым центральным процессо­ром по сигналам контроллера DМА и контроллера регенерации памяти. Задат­чиком на некоторое время может стать устройство, захватившее управление ши­ной через запрос по 16-битному каналу DМА. Такой режим работы устройства называют прямым управлением шиной. При этом канал DМА применяется для арбитража шины, а адаптер bus-master формирует все адресные и управляющие сигналы шины, не забывая передать управление шиной процессору не позднее, чем через 15 мкс (чтобы не нарушить регенерацию памяти).

Вес перечисленные ресурсы шины должны быть бесконфликтно распределе­ны. Бесконфликтность подразумевает выполнение следующих условий.

• Каждое устройство-исполнитель должно управлять шпион данных только при чтении по его адресам или но используемому им каналу DМА. Облас­ти адресов, по которым выполняется чтение регистров различных уст­ройств, не должны пересекаться. Поскольку при записи тиной данных управляет лишь текущий задатчик, возможность конфликтов, приводящих к искажениям данных, исключена. «Подсматривать» операции записи, ад­ресованные не данному устройству, не возбраняется.

• Назначенную линию IRQx или DRQx устройство должно держать на низ­ком уровне в пассивном состоянии и переводить в высокий уровень для активации запроса. Неиспользуемыми линиями запросов устройство уп­равлять не имеет права, они должны быть электрически откоммутированы или подключаться к буферу, находящемуся в третьем состоянии. Одной линией запроса может пользоваться только одно устройство. Такая неле­пость (с точки зрения схемотехники ТТЛ) была допущена в первых РС и из требований совместимости тиражируется до сих пор.

Задача распределения ресурсов для старых адаптеров решалась с помощью джамперов, затем подвились программно конфигурируемые устройства, которые вытесняются автоматически конфигурируемыми платами РnР. Прямой доступ к памяти позволяет абоненту шины организовывать обмен данными между своим регистром и памятью под управлением контроллера DМА, минуя центральный процессор. До выполнения обмена канал DМА должен быть инициализирован - задан начальный адрес и размер пересылаемого блока па­мяти, направление и режим обмена. После инициализации канала обмен выполняется по инициативе ПУ.

Для интерфейса ПУ каждый канал DМА представляется парой сигналив: за­прос обмена - DRQx и подтверждение обмена - DАСКх#, где х - номер исполь­зуемого канала. На рисунке приведена диаграмма стандартного цикла передачи байта (для 8-битного канала) или слова (для 16-битного) от ПУ в память по каналу DМА.

Шина PCI

РСI 1оса1 bus — шина соединения перифе­рийных компонентов является основной шиной расширения соименных ком­пьютеров. Шина разрабатывалась в расчете на Pentium, но хорошо сочеталась и с процессорами 486. Сейчас РСI является четко стандартизованной высокопро­изводительной и надежной шиной расширения. Первая версия РСI 1.0 появи­лась в 1992 году. В РСI 2.0 (1993г.) введена спецификация коннекторов и карт расширения. В версии 2.1 (1995г.) введена частота 66 МГц. В настоящее время действует спецификация РСI 2.2 (декабрь 1998г.), которая уточняет и разъяс­няет некоторые положения предшествующей версии 2.1. Данное описание осно­вано на тексте стандарта «РСI Local Bus Specification. Revision 2.2» от 18.12.1998, опубликованном организацией РСI SIG.

Поначалу шина РС1 вводилась как пристройка к системам c основной шиной ISA, став позже центральной шиной: она соединяется с сис­темной шиной процессора высокопроизводительным мостом («северным»), вхо­дящим и состав чипсета. Остальные шины расширения ввода-вывода (ISA /Е ISA или МСА). а также локальная ISA - подобная шина Х-ВUS и интерфейс LРС, к которым подключаются микросхемы системной платы (контрол­леры прерываний, клавиатуры, НГМД и прочие «ме­лочи»), подключаются к шине РСI через «южный» мост. В современных системных платах с хабовой архитектурой (см. п. 4.1) шину РСI отодвинули на периферию, не ущемляя ее в мощности канала связи с процессором и памятью, но не нагружая транзитным трафиком устройств других шин.

Шина является синхронной - фиксации всех сигналов выполняется по положительному перепаду (фронту) сигнала СLК. Номинальной частотой синхро­низации считается 33 МГц, при необходимости частота может быть понижена (на машинах с процессором 486 использовали частоты 20-33 МГц). Во многих случаях частоту успешно разгоняют и до 41,5 МГц (половина типовой частоты системной шины 83 МГц). Начиная с версии 2.1, допускается повышение часто­ты до 66 МГц при согласии всех устройств на шине.

Номинальная разрядность шины данных — 32 бита, спецификация определя­ет и расширение разрядности до 64 бит. При частоте шины 33 МГц теоретичес­кая пропускная способность достигает 132 Мбайт/с для 32-битной шины и 264 Мбайт/с для 64-битной; при частоте синхронизации 66 МГц — 26-1 и 528 Мбайт/с соответственно. Однако эти пиковые значения достигаются лишь во время передачи пакета, а из-за протокольных накладных расходов реальная средняя суммарная (для всех задатчиков) пропускная способность шины будет ниже.

Слот РСI достаточен для подключения адаптера (в отличие от VIВ), на системной плате он может сосуществовать с любой из шин ввода - вывода (и даже с VIВ).

С устройствами РСI процессор может взаимодействовать командами обращения к памяти и портам ввода - вывода, адресованным к областям, выделенным данному устройству при конфигурировании. Устройства могут вырабатывать запросы маскируемых и немаскируемых прерываний. Понятия каналов DMA для шины РСI нет, но агент шины может сам выступать в роли задатчика. поддержи­вая высокопроизводительный обмен с памятью (и не только), не занимая ресур­сов центрального процессора. Таким образом, к примеру, может быть реализован обмен и режиме DМА с устройствами IDЕ, подключенными к контролеру РСI IDE. Спецификация РСI требует перемещаемости всех занимае­мых ресурсов в пределах доступного пространства адресации. Это позволяет обес­печивать бесконфликтное распределение ресурсов для многих устройств (функ­ций). Для управления устройствами рекомендуется вместо портов ввода - вывода по возможности использовать ячейки памяти. Одно и то же функциональное устройство может быть сконфигурировано по-разному, отображай свои регистры либо на пространство памяти, либо па пространство ввода – вывода. Драйвер мо­жет определить текущую настройку, прочитав содержимое регистра базового ад­реса устройства, - признаком пространства ввода - вывода будет единичное зна­чение бита 0. Драйвер также может определить и номер запроса прерывания, который используется устройством.

Шины, логические устройства и функции РСI

Для шины РСI принята иерархия понятий, идентифицирующих конкретное уст­ройство. Эта иерархия требуется на этапе конфигурирования, когда производится опрос присутствующих устройств и их потребностях в ресурсах (пространствах памяти и ввода -вывода, а также запросах прерывания). В дальнейшей ргулярной работе устройства будут отзываться на обращения по назначенным иж'¹ адресам, доведенным до сведения связанных с ними модулей ПО.

Устройствам РСI называется микросхема или карта расширения, использую­щая для идентификации выделенную ей линию IDSEL. Устройство может быть многофункциональным, то есть состоять из множества так называемых функций. Каждой функции отводится конфигурационное пространство в 256 байт. Номер функции, к которой производится обращение в конфигурационных транзакциях, передастся по линиям АD[10:8] (.млад­шие линии требуются для адресации регистров внутри конфигурационного про­странства). Таким образом, устройство может содержать до 8 функций. Простые (однофункциональные) устройства, в зависимости от реализации, могут отзы­ваться либо на любой номер функции (игнорировать значение DO[10:8] в конфи­гурационном цикле), либо только на номер функции 0. Многофункциональные устройства должны отзываться только на конфигурационные циклы с номерами функций, для которых имеется конфигурационное пространство. При этом функция с номером 0 должна быть обязательно, номера остальных функций назна­чаются произвольно.

Литература

Основная

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и Интерфейсы переферийных устройств. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. – 336 с.: ил.

2. Интерфейсы переферийных устройств / Под ред. Д.В. Пузанкова. – СПб.: Политехника, 2003. – 935 с.: ил.

Дополнительная

1. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети телекоммуникации. - СПб.: Питер, 2005. – 568 с.

2. Хамахер К. Организация ЭВМ. – СПб.: Питер, 2003. – 848 с.: ил.

 

Специальность (шифр), форма обучения	Вычислительные машины, комплексы, системы и сети (230101.65),  очная
Название дисциплины	Интерфейсы переферийных устройств
Курс, семестр	IV, VIII
Ф.И.О. преподавателя – разработчика материалов	Ткачук И.Ю.

Лекция 1 3