Периферийные устройства для персонального компьютера

• 1. Периферийные устройства
• 2. Подключение периферийных устройств
• 3. Передача информации
• 4. Параллельные и последовательные интерфейсы
• 5. Сигналы и среда передачи
• 6. Организация и топология интерфейсов
• 7. Представление о времени и синхронизации (асинхронные, синхронные и изохронные сигналы передачи данных)
• 8. Шина PCI
• 9. Параллельный интерфейс (LPT-порт)
• 10. Стандарт IEEE 1284
• 11. Протокол обмена Centronics
• 12. Полубайтный режим ввода — Nibble Mode
• 13. Байтный режим ввода — Byte Mode
• 14. Режим EPP
• 15. Режим ECP
• 16. Режим ECР — обратная передача
• 17. Последовательные интерфейсы. Способы последовательной передачи
• 18. Стандарты последовательного интерфейса
• 19. Интерфейс токовая петя
• 20. Интерфейс MIDI
• 21. Беспроводные интерфейсы. Инфракрасный интерфейс IRDA
• 22. Радиоинтерфейс Bluetooth
• 23. Шина USB
• 24. Модель передачи данных
• 25. Типы передачи данных
• 26. Хост
• 27. Шина FireWire
• 28. Аналоговые интерфейсы RGB (интерфейсы графических адаптеров)
• 29. Интерфейсы компьютерных сетей
• 30. CAN-интерфейс
• 31. Магистральный интерфейс AGP
• 32. Интерфейс I2C
• 33. Интерфейс ATA

1. Периферийные устройства

Большинство ПК построены по классической схеме Фон Неймана. По этой схеме ПК состоит из:

Процессор выполняет программы, находящиеся в памяти.

Память содержит программы для выполнения процессором.

Устройства ввода/вывода предназначены для связи с внешним миром.

ЦП и память — центральная часть ПК.

Периферийное устройство (ПУ) — программно доступные элементы ПК, не попавшие в центральную часть.

Периферийные устройства делятся на:

устройства хранения данных (диски)

устройства ввода/вывода (мышь, клавиатура, монитор, принтер, сканер)

коммуникационные устройства (сетевые платы, модем, Bluetooth адаптер)

Главным действие ПК является исполнение программного кода процессором и соответственно процессор должен иметь возможность взаимодействия с периферийными устройствами.

Поэтому периферийные устройства должны предоставляться процессору набором регистров (ячеек).

периферийное устройство персональный компьютер

2. Подключение периферийных устройств

Между центральной частью ПК и периферийными устройствами существует иерархическая система подключения.

Центральная часть иерархии ПК обращается с периферийными устройствами через системный контролер.

Верхним уровнем иерархии является шина расширения ввода/вывода. К шине расширения подключаются адаптеры и контролеры. Адаптер подключает периферийное устройство на уровне электрических сигналов. Контролер — интеллектуальное устройство. Выполняет функции адаптера и (???). Он разгружает ЦП.

Выше перечисленные уровни средств называется интерфейс. Задача интерфейса — передача информации между какими-либо устройствами.

Информация бывает разной:

Аналоговая — отображает процесс передачи непрерывной по времени и величине.

Дискретная — отображает процесс конечным числом значений.

3. Передача информации

Задача любого из рассматриваемых интерфейсов заключается в передаче информации между какими-либо устройствами. Информация (данные), которую следует передавать, может быть разной природы.

Аналоговая информация, отображающая процесс, непрерывный во времени и по величине. Пример — звуки, которые мы слышим (в том числе и речь), представляют собой непрерывное изменение давления. Задача передачи такой информации встает, например, при подключении микрофона к компьютеру.

Дискретная информация, отображающая процесс конечным числом значений. Элементарная единица дискретной информации — 1 бит, который может принимать лишь одно из двух логических значений: 0 (истина, «да») или 1 (ложь, «нет»). Одним битом, к примеру, можно отобразить состояние кнопки «мыши»: нажата или нет. Пример — оцифрованный звук, представляющий собой последовательность отсчетов мгновенных значений давления, берущихся через равные интервалы времени.

Для передачи данных по различным интерфейсам наиболее существенно разделение на аналоговые (непрерывные) и дискретные. Для того чтобы передавать данные, их нужно представить в виде сигнала — физического процесса (электрического, оптического, электромагнитного, хотя возможны и другие). Сигналы могут быть различных типов: аналоговые (непрерывные), дискретные, цифровые. Заметим, что тип сигнала может и не соответствовать типу передаваемых данных. Так, например, аналоговый сигнал телефонного модема несет дискретные (цифровые) данные. Тип и природа используемого сигнала определяется требованиями к интерфейсу: дальность связи, скорость передачи данных, надежность, достоверность, безопасность, стоимость, удобство подключения, энергопотребление и другими.

4. Параллельные и последовательные интерфейсы

Самый распространенный способ представления данных сигналами — двоичный.

Один двоичный сигнал за один квант времени передает один бит информации.

Процессор с ПУ обменивается байтами (8 бит), словами (16 бит), двойными словами (32 бит).

Для того чтобы передать группу бит существуют 2 подхода к организации интерфейса:

Параллельный

Последовательный

Параллельный — для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия и все биты группы передаются одновременно за 1 квант времени, т. е. передвигаются по сигнальным линиям параллельно.

1 байт передачи:

В параллельный интерфейсах существует явление перекоса, т. е. какие-то данные стартуя, в процессе передачи байта от источника к приемнику происходит неодновременное поступление битов к приемнику. Из-за этого ограничивается длина кабеля.

На качество передачи так же влияет битность кабеля.

Развитие параллельного интерфейса ограничено.

На качество передачи влияет и частота.

Последовательный интерфейс — используется лишь 1 сигнальная линия и биты-группы передаются друг за другом по очереди, на каждый из них отводится свой квант времени.

На первый взгляд организация параллельного интерфейса проще и нагляднее, не нужно выстраивать биты в очередь и собирать их из принятой последовательности бит.

Параллельный интерфейс быстрее передает, но очень много проводов в соединительном кабеле.

В последовательном — кабель проще, но узлы сложнее.

Скорость передачи данных равна числу бит, передаваемых за 1 квант времени, деленному на длительность кванта.

Тактовая частота интерфейса — величина, обратная длительности кванта.

У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельно столько, сколько сигнальных линий данных.

В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повышать частоту можно до предела допустимого для приемного устройства.

5. Сигналы и среда передачи

Самым «модным» физическим процессом, используемым для передачи сигналов интерфейсов, являются электромагнитные колебания различных частотных диапазонов. Наиболее привычные электрические сигналы — это электромагнитные колебания низкочастотного диапазона (до десятков и сотен МГц), передаваемые по электрическим проводам («0» и «1» уровень напряжения или присутствие тока). Электромагнитные колебания с частотами в сотни МГц — десятки ГГц пригодны и для беспроводной радиопередачи сигналов. Более низкие частоты для эффективного излучения и приема требуют антенн неприемлемо большого размера; для более высоких частот пока что есть сложности в реализации приемопередатчиков, да и распространение сигнала в этом диапазоне имеет неприятную специфику (например, поглощение туманом и дождем).

Bluetooth — использует радиоволны микроволнового диапазона 2,4 ГГц. В этом диапазоне радиоволны распространяются по прямой (неприятность — (1) отражение сигнала. Борьба — перескоки несущей частоты. (2) растущая заселенность эфира (нежелательное взаимодействие с различной аппаратурой)).

Инфракрасный порт — стандартный IrDA и его фирменные предшественники HP-SIR и ASK IR. Используются для беспроводного подключения периферии (принтеров и других устройств) к компьютерам.

Порт IrDA имеет направленные излучатели и приемники с углом охвата 15−30° и дальность действия порядка 1 м, так что для соединения устройств их нужно должным образом приблизить друг к другу и сориентировать. Недостаток — малая зона охвата. Достижимая скорость — 4 Мбит/с, более высокие скорости проблематичны из-за слабости сигнала, получаемого фотоприемником. Инфракрасная связь используется и в беспроводных локальных сетях (IEEE 802.11 DFIR), где ненаправленные приемопередатчики за счет отражений от стен и потолка позволяют обеспечивать зону охвата порядка 10 м, но скорости еще ниже (1−2 Мбит/с).

Проводная оптическая связь — световые импульсы инфракрасного диапазона передаются по оптоволокну, стеклянному или пластиковому. Стеклянное волокно в основном используется в телекоммуникациях, где требуется дальность связи. Плюсы: приятное сочетание Гб/с и километровые расстояния. Резервом повышения пропускной способности является мультиплексирование (по одной жиле может распространяться множество оптических сигналов с различными длинами волн не мешая друг другу). Они не чувствительны к электромагнитным излучениям.

6. Организация и топология интерфейсов

Рассматриваемые интерфейсы служат для обмена информацией между соединяемыми устройствами; обмен происходит с помощью транзакций. Интерфейсной транзакцией называется законченная операция по пересылке некоторой порции информации. Транзакция может состоять из последовательности фаз (состояний, шагов), в каждой из которых решается какая-то элементарная задача. Протокол интерфейса — это набор правил взаимодействия ведущих и ведомых устройств, обеспечивающий выполнение транзакций. Сложность протокола зависит от возможного числа участников, их отношений и ряда характеристик обмена, которые должен обеспечить интерфейс. Если интерфейс объединяет более двух устройств, то протокол должен решать задачу адресации — выбора устройства, которое будет отвечать на данную транзакцию. При этом встает и задача назначения адресов, для каждого устройства уникальных хотя бы в пределах данного объединения. В назначении адресов участие пользователя должно быть минимальным. Современные интерфейсы — шины PCI, USB, FireWire, Bluetooth — изначально проектировались с учетом полной автоматизации назначения адресов. Говоря о PnP, следует отметить еще одну задачу — автоматическая идентификация подключенных устройств. Устройства, претендующие на роль ведущих, должны иметь возможность узнать, какие именно устройства подключены к их интерфейсу, и поддерживать конфигурационные таблицы — списки соответствия адресов и идентификаторов устройств. Решение задач автоматической адресации и идентификации позволяет говорить о возможности автоматического конфигурирования, которое может быть статическим и динамическим. Системы со статическим конфигурированием позволяют подключать/отключать устройства только в нерабочем состоянии, после всех изменений конфигурации они требуют перезагрузки. Системы с динамическим конфигурированием позволяют подключать/отключать устройства на ходу, почти не влияя на работу остальных.

Отношения между соединяемыми устройствами могут быть равноранговыми или подчиненными. В случае равнорангового интерфейса любое из устройств (по крайней мере, не одно) может претендовать на роль ведущего и стать им для каких-либо транзакций. Из этого вытекает задача арбитража — определения, какое устройство станет ведущим для очередной транзакции. В случае подчиненных отношений ведущим может быть только одно из устройств, соединенных интерфейсом.

Хост-центрический интерфейс означает, что всеми транзакциями управляет один центральный узел, называемый хостом (host, хозяин). Под хостом для интерфейсов системного уровня подразумевается центр компьютера (ЦП и ОЗУ с ближайшим окружением); для периферийного уровня — компьютер с интерфейсным адаптером (контроллером). Шины PCI, FireWire, SCSI — примеры равноранговых интерфейсов, USB, ATA — хост-центрического.

Топология определяет конфигурацию связей между соединяемыми устройствами: двухточечная, шинная, радиальная, смешанная, цепочечная.

Двухточечная топология, или выделенный интерфейс — самая простая связь, в которой участвуют только два устройства. Каждое из устройств «знает», что на противоположном конце интерфейса может быть лишь одно устройство, и задачи адресации не возникает.

Двухточечный интерфейс с подчиненным устройством будет иметь самый простой протокол. Пример — LPT-порт компьютера в стандартном варианте, к которому подключено лишь одно устройство (принтер).

Шинная топология — объединение нескольких устройств на одной шине. Шина в данном контексте — совокупность сигнальных линий, соединяющих несколько устройств. Все устройства для обмена информацией пользуются одними и теми же линиями шины, они одновременно «слышат» друг друга. Для успешного обмена на время транзакции только одно устройство на шине может быть ведущим (задатчиком, инициатором); если на шине присутствует более одного устройства, претендующего на роль задатчика, то должен быть реализован протокол и механизм арбитража.

Арбитраж может выполняться централизовано специальным выделенным узлом-арбитром. Арбитраж может быть как простым, так и приоритетным, с различными механизмами управления приоритетом узлов. Пример шин с централизованным арбитражом — PCI, ISA; с распределенным арбитражом — SCSI, FireWire.

Если шиной управляет лишь одно устройство (хост), то арбитраж не нужен; примеры — шины ATA, USB.

Радиальная (звездообразная) топология — способ соединения более двух узлов, при котором к каждому периферийному узлу от центрального идет свой набор интерфейсных линий. Как правило, центральный узел является и единственным ведущим устройством, так что из интерфейсного протокола исключается задача арбитража. Задача адресации решается исключительно средствами центрального узла (звезду можно рассматривать как совокупность двухточечных соединений), что также упрощает протокол. Однако при большом числе сигнальных линий радиальные интерфейсы оказываются слишком дороги, так что радиальная топология преимущественно используется в последовательных интерфейсах. Пример радиальной топологии — новый интерфейс Serial ATA.

Цепочечная топология (daisy chain¹) — соединение устройств друг за другом, при котором каждое устройство имеет пару разъемов подключения и транслирует интерфейсные сигналы с одного на другой.

В ряде интерфейсов наблюдается смесь топологий; так, например, в шине PCI большинство сигнальных линий идут шиной, но часть сигналов к каждому устройству (слоту) подходит радиально от центрального устройства (моста). Шина USB физически (внешне) использует древовидную топологию (соединение звезд, в центре которых находятся хабы USB), но логически хабы обеспечивают связь всех устройств в шину с единственным задатчиком — хост-контроллером.

7. Представление о времени и синхронизации (асинхронные, синхронные и изохронные сигналы передачи данных)

По способу передачи транзакции различают: асинхронные, синхронные, изохронные передачи данных.

В асинхронных передачах данных и интерфейсах участники не имеют друг перед другом никаких особых обязательств по времени: инициатор в любой момент может начать транзакцию, а целевое устройство, как правило, может ее приостановить в случае своей неготовности. (Di-Alap).

Темп инициатора и целевого устройства согласуется с помощью механизмов квитирования или (и) управления потоком. В COM-порте имеется даже два варианта протокола управления потоком.

Квитирование — это взаимное подтверждение отдельных шагов протокола обоими участниками транзакции. Квитирование широко применяется в параллельных интерфейсах (в том же LPT-порте, шинах расширения), для чего используются специальные интерфейсные линии.

Управление потоком — это уведомление источника (передатчика) данных о возможностях их приема противоположной стороной: если приемник не успевает обрабатывать приходящие данные, он «просит» передатчик приостановить передачу на определенное время или до особого разрешения.

Асинхронная передача применима для всех устройств, не связанных с реальным временем: принтеров, сканеров, устройств хранения и т. п.

В синхронных интерфейсах участники транзакций по времени связаны жестко. В них присутствует постоянный тактовый сигнал синхронизации, к которому привязаны все события интерфейса: передача бит в последовательных и байт (слов) в параллельных интерфейсах. Тактовый сигнал, как правило, имеет постоянную (и точно поддерживаемую) частоту, хотя есть ряд синхронных интерфейсов и с произвольными периодами тактового сигнала (например, SPI). Сигнал синхронизации имеется и у передатчика, и у приемника; для передачи сигнала синхронизации используется либо специальная линия интерфейса.

Изохронная передача данных — это передача с постоянной средней скоростью: за определенный (фиксированный) интервал времени должно быть передано определенное число данных. Это позволяет использовать один интерфейс для подключения множества устройств и организовывать множество одновременных изохронных каналов передачи. Вопросами распределения полосы пропускания интерфейса занимается диспетчер изохронных ресурсов — отдельная функция программной поддержки.

8. Шина PCI

Шина PCI, как и ее предшественница EISA, относится ко второму поколению шин ввода-вывода. Основные признаки этого поколения:

Параллельный интерфейс с протоколом обеспечения надежного обмена. Разрядность шины адреса и данных — 32 бита с возможным расширением до 64 бит; достоверность обеспечивается контролем четности; надежность передачи — обязательным ответом целевого устройства, благодаря чему инициатор транзакции всегда узнает ее судьбу.

Синхронный интерфейс и пакетные передачи с высокой скоростью. Тактовая частота 33 МГц при разрядности 32 бита позволяет достигать пиковой скорости передачи 133 Мбайт/с; возможно повышение частоты до 66 МГц, что при разрядности 64 бит дает пиковую скорость до 532 Мбайт/с.

Автоматическое конфигурирование устройств, заложенное в спецификации шины. Набор стандартизованных конфигурационных регистров позволяет собирать сведения о потребностях всех устройств в системных ресурсах (адресах и прерываниях), конфигурировать устройства (назначать ресурсы) и управлять их поведением (разрешать работу в качестве целевых устройств и инициаторов транзакций).

Набор команд обращений к ресурсам различных пространств, включая и команды оптимизированного обращения к целым строкам кэш-памяти.

Особенность шины PCI — ограниченное (не более 5−6) число устройств, подключаемых к шине (в предыдущих шинах такого жесткого ограничения не было). Для подключения большего числа устройств используются мосты PCI, организующие дополнительные шины. Мосты PCI прозрачны — через них проходят все необходимые транзакции. Однако механизмы буферизации, применяемые в мостах PCI, вносят значительную задержку в выполнение транзакций через мост.

Слабое место протокола PCI — операции чтения, особенно если они адресуются к не очень быстрой памяти.

В качестве шины общего назначения PCI получила развитие в виде стандарта PCI-X, вышедшего уже и во второй версии. Здесь тоже повышена пиковая скорость: тактовая частота может быть поднята до 133 МГц (варианты PCI-X66, PCI-X100 и PCI-X133). В версии 2.0 появился новый режим Mode 2 с синхронизацией от источника данных, в котором скорость записи в память (и только для этой операции) может подниматься в 2 или 4 раза (PCI-X266 и PCI-X533 соответственно).

В PCI-X 2.0 введен и новый способ коммуникации между устройствами: обмен сообщениями, адресуемыми по идентификаторам устройств (номер шины, устройства и функции), а не по адресам ресурсов (памяти или ввода-вывода). В предыдущих версиях шин такой возможности не было; этот способ коммуникации полезен для повышения «интеллигентности» подсистемы ввода-вывода.

9. Параллельный интерфейс (LPT-порт)

С внешней стороны порт имеет 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. В LPT-порте используются логические уровни ТТЛ, что ограничивает допустимую длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ-интерфейса. Порт имеет поддержку на уровне BIOS.

Традиционный, он же стандартный, LPT-порт называется стандартным параллельным портом (Standard Parallel Port, SPP), или SPP-портом, и является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics.

Перечислим шаги процедуры вывода байта по интерфейсу Centronics с указанием требуемого количества шинных операций процессора.

1. Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).

2. Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 — сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#).

3. По получению готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается. Обычно, чтобы переключить только один бит (строб), регистр управления предварительно считывается, что к двум циклам IOWR# добавляет еще один цикл IORD#.

Порт удается разогнать до скоростей 100−150 Кбайт/с при полной загрузке процессора, что недостаточно для печати на лазерном принтере.

10. Стандарт IEEE 1284

Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, описывает порты SPP, ЕРР и ЕСР. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

Режим совместимости (Compatibility Mode) — однонаправленный прямой 8-битный канал с протоколом Centronics, программно управляемый хостом. Это базовый режим порта — исходное состояние и промежуточный при всех переходах.

Полубайтный режим (Nibble Mode) — однонаправленный обратный параллельно-последовательный (4-битный) канал, программно управляемый хостом. Служит дополнением к Compatibility, одновременно с ним работать неможет, переключение под управлением хоста.

Байтный режим (Byte Mode) — однонаправленный обратный 8-битный канал, программно управляемый хостом. Служит дополнением к Compatibility, одновременно с ним работать не может, переключение под управлением хоста.

Режим ЕРР (ЕРР Mode) — двунаправленный 8-битный канал, управляемый процессором; аппаратно реализованное блокирующее квитирование. Отдельные линии стробирования позволяют различать передачу данных и адресов,.

Режим ЕСР (ЕСР Mode) — двунаправленный симметричный 8-битный канал, аппаратно реализованное блокирующее квитирование. Управляющая линия позволяет различать передачу данных и команд; команды могут быть использованы для компрессии данных и адресации каналов.

В компьютерах с LPT-портом на системной плате режим — SPP, ЕРР, ЕСР или их комбинация — задается в BIOS Setup.

При описании режимов обмена фигурируют следующие понятия:

1. хост — компьютер, обладающий параллельным портом;

2. ПУ — периферийное устройство, подключаемое к этому порту;

3. Ptr — в названиях сигналов обозначает Передающее ПУ;

4. прямой канал — канал вывода данных от хоста в ПУ;

5. обратный канал — канал ввода данных в хост из ПУ.

11. Протокол обмена Centronics

Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему на принтерах. Назначение сигналов приведено в табл. 1.1, а временные диаграммы обмена с принтером — на рис. 1.1.

Интерфейс Centronics поддерживается принтерами с параллельным интерфейсом.

Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт вырабатывает аппаратное прерывание по импульсу на входе Аск#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом. Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 1.2) соответствуют интерфейсу Centronics.

* I/O задает направление передачи (вход/выход) сигнала порта. O/I обозначает выходные линии, состояние которых считыва-ется при чтении из портов вывода; (I) — выходные линии, состояние которых может быть считано только при особых условиях (см. ниже). ** Символом «» отмечены инвертированные сигналы (1 в регистре соответствует низкому уровню линии). *** Вход Аск# соединен резистором (10 кОм) с питанием +5 В.

12. Полубайтный режим ввода — Nibble Mode

Полубайтный режим предназначен для двунаправленного обмена и может работать на всех стандартных портах. Порты имеют 5 линий ввода состояния, используя которые ПУ может посылать в хост байт тетрадами (nibble — полубайт, 4 бита) за два приема. Сигнал Аск#, вызывающий прерывание, которое может использоваться в данном режиме, соответствует биту 6 регистра состояния, что усложняет программные манипуляции с битами при сборке байта. Сигналы порта приведены в табл. 1.2, временные диаграммы — на рис. 1.1.

Прием байта данных в полубайтном режиме состоит из следующих фаз:

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает тетраду на входные линии состояния.

3. ПУ сигнализирует о готовности тетрады установкой низкого уровня на ли нии PtrClk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой тетрады.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.

6. Шаги 1. — 5 повторяются для второй тетрады, после чего ПУ может сигнализи ровать о наличии данных для хоста (Select) и занятости прямого канала (Busy); вызывать прерывание (АСК).

13. Байтный режим ввода — Byte Mode

В этом режиме данные принимаются с использованием двунаправленного порта, у которого выходной буфер данных может отключаться установкой бита CR.5=1. Как и предыдущие, режим является программно-управляемым — все сигналы квитирования анализируются и устанавливаются драйвером., временные диаграммы — на рис.

Сигналы действуют в последовательности согласования (см. ниже).

Рис. 1.2 Прием данных в байтном режиме

Фазы приема байта данных перечислены ниже.

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает байт данных на линии Data [0: 7].

3. ПУ сигнализирует о действительности байта установкой низкого уровня на линии PtrClk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой байта.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.

6. Хост подтверждает прием байта импульсом HostClk.

7. Шаги 1−6 повторяются для каждого следующего байта. После подъема HostBusy ПУ может cигнализировать о наличии данных, занятости Прямого канала и вызывать прерывание по готовности данных.

14. Режим EPP

Протокол ЕРР (Enhanced Parallel Port — улучшенный параллельный порт) был разработан компаниями Intel, Xircom и Zenith Data Systems задолго до принятия стандарта IEEE 1284. Этот протокол предназначен для повышения производительности обмена по параллельному порту.

Протокол ЕРР обеспечивает четыре типа циклов обмена:

запись данных;

чтение данных;

запись адреса;

чтение адреса.

Циклы обмена данными отличаются от адресных циклов применяемыми стробирующими сигналами. Назначение циклов записи и чтения данных очевидно. Выделение адресных циклов позволяет подключать устройство с множеством регистров, организуя мультиплексированную шину адреса и данных.

Цикл записи данных состоит из следующих фаз.

1. Программа выполняет цикл вывода (IOWR#) в порт 4 (ЕРР Data Port).

2. Адаптер устанавливает сигнал Write* (низкий уровень), и данные помещаются на выходную шину LPT-порта.

3. При низком уровне Wait* устанавливается строб данных.

4. Порт ждет подтверждения от ПУ (перевода Wait* в высокий уровень).

5. Снимается строб данных — внешний ЕРР-цикл завершается.

6. Завершается процессорный цикл вывода.

7. ПУ устанавливает низкий уровень Wait*, указывая на возможность начала следующего цикла.

Рис. 1.3 Цикл записи данных ЕРР

В отличии от программно управляющих режимов, описанных выше, внешние сигналы EPP режима для каждого цикла обмена формируется аппаратно. Адресный цикл отличается от цикла записи только наличием строба. Пример адресного цикла чтения на рис. 1.4.

Адресный цикл чтения отличается от адресного цикла записи только применением другого стробирующего сигнала.

Главной отличительной чертой ЕРР является выполнение внешней передачи во время одного процессорного цикла ввода-вывода. Это позволяет достигать высоких скоростей обмена (0,5−2 Мбайт/с).

ПУ, подключенное к параллельному порту ЕРР, может работать со скоростью устройства, подключаемого через слот ISA. Протокол блокированного квитирования (interlocked handshakes) позволяет автоматически настраиваться на скорость обмена, доступную и хосту, и ПУ. ПУ может регулировать длительность всех фаз обмена с помощью всего лишь одного сигнала Wait#. Протокол автоматически подстраивается под длину кабеля — вносимые задержки приведут только к удлинению цикла.

При подключении сетевых адаптеров или внешних дисков к ЕРР-порту можно наблюдать непривычное явление: снижение производительности по мере удлинения интерфейсного кабеля.

Естественно, ПУ не должно «подвешивать» процессор на шинном цикле обмена. Это гарантирует механизм тайм-аутов PC. Важной чертой ЕРР является то, что обращение процессора к ПУ осуществляется в реальном времени — нет буферизации. Драйвер способен отслеживать состояние и подавать команды в точно известные моменты времени. Циклы чтения и записи могут чередоваться в произвольном порядке или идти блоками. Такой тип обмена удобен для регистро-ориентированных ПУ или ПУ, работающих в реальном времени, например устройств сбора информации и управления. Этот режим пригоден и для устройств хранения данных, сетевых адаптеров, принтеров, сканеров и т. п.

К сожалению, режим ЕРР поддерживается не всеми портами — он отсутствует, к примеру, в ряде блокнотных ПК ранней стадии.

15. Режим ECP

Протокол ЕСР в обоих направлениях обеспечивает два типа циклов:

циклы записи и чтения данных;

командные циклы записи и чтения.

Командные циклы подразделяются на два типа: передача канальных адресов и передача счетчика RLC (Run-Length Count).

Канальная адресация ЕСР применяется для адресации множества логических устройств, входящих в одно физическое. Например, в комбинированном устройстве факс/принтер/модем, подключаемом только к одному параллельному порту, возможен одновременный прием факса и печать на принтере. Адаптер ЕСР тоже генерирует внешние протокольные сигналы квитирования аппаратно, но его работа существенно отличается от режима ЕРР.

Прямая передача данных на внешнем интерфейсе состоит из следующих шагов:

1. Хост помещает данные на шину канала и устанавливает признак цикла данных (высокий уровень) или команды (низкий уровень) на линии HostAck.

2. Хост устанавливает низкий уровень на линии HostClk, указывая на действительность данных.

3. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PeriphAck.

4. Хост устанавливает высокий уровень линии HostClk, и этот перепад может ис пользоваться для фиксации данных в ПУ.

5. ПУ устанавливает низкий уровень на линии PeriphAck для указания на готовность к приему следующего байта.

Данные считаются переданными на шаге 4, когда линия HostClk переходит в высокий уровень. В этот момент модифицируются счетчики переданных и принятых байт. В протоколе ЕСР есть условия, вызывающие прекращение обмена между шагами 3 и 4. В ЕСР смена направления должна быть согласована: хост запрашивает реверс установкой ReverseRequest*, после чего он должен дождаться подтверждения сигналом AckReverse#.

16. Режим ECР — обратная передача

Обратная передача данных состоит из следующих шагов:

1. Хост запрашивает изменение направления канала, устанавливая низкий уровень на линии ReverseRequest*.

2. ПУ разрешает смену направления установкой низкого уровня на линии AckReverse#.

3. ПУ помещает данные на шину канала и устанавливает признак цикла данных (высокий уровень) или команды (низкий уровень) на линии PeriphAck.

4. ПУ устанавливает низкий уровень на линии PeriphClk, указывая на действи тельность данных.

5. Хост отвечает установкой высокого уровня на линии HostAck.

6. ПУ устанавливает высокий уровень линии PeriphClk; этот перепад может ис пользоваться для фиксации данных хостом.

7. Хост устанавливает низкий уровень на линии HostAck для указания на готовность к приему следующего байта.

Смотри вопрос 15 (диаграммы и т. п.).

17. Последовательные интерфейсы. Способы последовательной передачи

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Характерной особенностью является применение не-ТТЛ сигналов. В ряде последовательных интерфейсов применяется гальваническая развязка внешних (обычно входных) сигналов от схемной земли устройства, что позволяет соединять устройства, находящиеся под разными потенциалами. Примеры последовательного интерфейса: интерфейсы RS-232C, RS-422А, RS-423A, RS-485, токовая петля, MIDI, а также СОМ-порт.

Способы последовательной передачи

Асинхронный и синхронный режимы.

При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности,). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками (рис. 2.1). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема начала старт-бита. Этот счетчик генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные и при незначительном рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Очевидно, что при передаче 8 бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при котором данные будут распознаны верно, не может превышать 5%. Чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала.

Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи:

Если принят перепад, сигнализирующий о начале посылки, а по стробу старт-бита зафиксирован уровень логической единицы, старт-бит считается ложным и приемник снова переходит в состояние ожидания. Об этой ошибке приемник может и не сообщать.

Если во время, отведенное под стоп-бит, обнаружен уровень логического нуля, фиксируется ошибка стоп-бита.

Если применяется контроль четности, то после посылки бит данных передается контрольный бит. Этот бит дополняет количество единичных бит данных до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием байта с неверным значением контрольного бита приводит к фиксации ошибки.

Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии:

при этом принимаются логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит, и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп-бита.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150,300,600,1200,2400,4800,9600,19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с. Иногда вместо единицы измерения «бит/с» используют «бод» (baud), но при рассмотрении двоичных передаваемых сигналов это некорректно. В бодах принято измерять частоту изменения состояния линии, а при недвоичном способе кодирования (широко применяемом в современных модемах) в канале связи скорости передачи бит (бит/с) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз (подробнее см. в приложении А).

Асинхронный обмен в PC реализуется с помощью СОМ-порта с использованием протокола RS-232C.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым сразу же следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Очевидно, что при передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к искажению принимаемых данных.

18. Стандарты последовательного интерфейса

Интерфейс RS-232с

Интерфейс предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД — оконечное оборудование данных или АПД — аппаратура передачи данных; DTE — Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД; DCE — Data Communication Equipment). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем.

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим.

Функционально RS-232C эквивалентен стандарту МККТТ V.24/ V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия сигналов.

Стандарт RS-232C использует несимметричные передатчики и приемники — сигнал передается относительно общего провода — схемной земли. Интерфейс НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне — 12. — 3 В.

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании.

Для интерфейса RS-232C специально выпускаются буферные микросхемы приемников (с гистерезисом и передатчиком двуполярного сигнала). При несоблюдении правил заземления и коммутации они обычно являются первыми жертвами «пиротехнических» эффектов.

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки (male — «папа») DB-25P или более компактный вариант — DB-9P. Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем.

19. Интерфейс токовая петя

В ней электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Логической единице (состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю — отсутствие тока. Такое представление сигналов для описанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии — приемник заметит отсутствие стоп-бита.

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком).

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров. В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, используют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS. Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю можно с помощью специальных конвекторов.

При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал.

20. Интерфейс MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является двунаправленным последовательным асинхронным интерфейсом с частотой передачи 31,25 Кбит/с. Этот интерфейс, разработанный в 1983 году, стал фактическим стандартом для сопряжения компьютеров, синтезаторов, записывающих и воспроизводящих устройств, микшеров, устройств специальных эффектов и другой электромузыкальной техники.

В интерфейсе применяется таковая петля 10 мА (возможно 5 мА) с гальванической развязкой входной цепи.

Асинхронная посылка содержит старт-бит, 8 бит информации и 1 стоп-бит, контроль четности отсутствует. Старший бит посылки является признаком «команда/данные» .

Интерфейс определяет три типа портов: MIDI-In, MIDI-Out nMIDI-Thru.

Входной порт MIDI-In представляет собой вход интерфейса «токовая петля 10 мА», гальванически развязанного от приемника оптроном с быстродействием не хуже 2 мкс. Устройство отслеживает информационный поток на этом входе и реагирует на адресованные ему команды и данные.

Выходной порт MIDI-Out представляет собой выход источника тока 10 мА, гальванически связанного со схемой устройства. Ограничительные резисторы предохраняют выходные цепи от повреждения при замыкании на землю или источник 5 В. На выход подается информационный поток от данного устройства. В потоке может содержаться и транслированный входной поток.

Транзитный порт MIDI-Thru (не обязателен) служит для ретрансляции входного сигнала.

Интерфейс позволяет объединить группу до 16 устройств в локальную сеть. Топология должна подчиняться правилу:

вход MIDI-In одного устройства должен подключаться к выходу MIDI-Out или MIDI-Thru другого. При планировании MIDI-сети необходимо руководствоваться информационными потоками и связью устройств.

Управляющие устройства — клавиатуры, секвенсоры (в режиме воспроиз — ведения), источники синхронизации — должны находиться перед управляемыми. Если устройства нуждаются в двунаправленном обмене, они соединяются в кольцо. Возможно применение специальных мультиплексоров, позволяющих логически коммутировать несколько входных потоков в один выходной.

21. Беспроводные интерфейсы. Инфракрасный интерфейс IRDA

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние до нескольких метров. 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. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док-станциями.

Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные — для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный аппарат и т. п.

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм; светодиод дает конус эффективного излучения с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффективно принимающие ИК-лучи в конусе 15°. Спецификация IrDA определяет требования к мощности передатчика и чувствительности приемника, причем для приемника задается как минимальная, так и максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не «увидит», а слишком большая мощность «ослепляет» приемник — принимаемые импульсы сольются в неразличимый сигнал. Кроме полезного сигнала на приемник воздействуют помехи: засветка солнечным освещением и лампами накаливания, дающая постоянную составляющую оптической мощности, и помехи от люминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую.

22. Радиоинтерфейс Bluetooth

Bluetooth (синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации с помощью радиосвязи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любыми другими портативными устройствами на небольшие расстояния.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для промышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Кодирование простое — логической единице соответствует положительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100 МВт, причем должна быть возможность понижения мощности с целью экономии энергии.

Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физический канал связи представляется определенной псевдослучайной последовательностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот). Группа устройств, разделяющих один канал (то есть «знающих» одну и ту же последовательность перескоков), образует так называемую пикосеть (piconet), в которую может входить от 2 до 8 устройств. В каждой пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с ведущим устройством, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока ведущее устройство не разрешит их активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1−7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер для использования другими. При последующей активизации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный). Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросанную» сеть (scatternet). При этом в каждой пикосети ведущее устройство только одно, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей, используя разделение времени. Передачи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от 1 до 5 тайм-слотов.

Между ведущим и ведомыми устройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные связи используются для передачи изохронного трафика.). Эти связи типа «точка-точка» предварительно устанавливает ведущее устройство с выбранными ведомыми устройствами, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повторные передачи пакетов в случае ошибок приема не используются. Ведущее устройство может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое устройство может иметь до трех связей с одним ведущим устройством или иметь по одной связи SCO с двумя различными ведущими устройствами. По сетевой классификации связи SCO относятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка-множество точек» между ведущим устройством и всеми ведомыми устройствами пикосети. Ведущее устройство может связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа. Ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос ведущего устройства (безошибочно декодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматривается повторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Ведущее устройство может посылать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств ведущее устройство может установить лишь одну связь ACL.

Защита данных от искажения и контроль достоверности производится несколькими способами. Данные некоторых типов пакетов защищаются CRC-кодом. Для сокращения числа повторов применяется избыточное кодирование FEC. Код Хэмминга, что позволяет исправлять все однократные и обнаруживать все двукратные ошибки в каждом 10-битном блоке.

Каждый голосовой канал обеспечивает скорость по 64 Кбит/с в обоих направлениях. Асинхронный канал может обеспечивать максимальную скорость 723,2 Кбит/с в асимметричной конфигурации. Для обеспечения безопасности в ВТ применяется аутентификация и шифрование данных на уровне связи (link layer), которые, конечно же, могут дополняться и средствами верхних протокольных уровней.

23. Шина USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (devices) могут являться хабами, функциями или их комбинацией.

Устройство-хаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированное устройство (compound device), содержащее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами.

Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

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, объединенный с корневым хабом. Поскольку комбинированные устройства внутри себя содержат хаб, их подключение к хабу 6-го яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба. Логическая топология USB — просто звезда: для хост-контроллера хабы создают иллюзию непосредственного подключения каждого устройства.

Введение

высокой скорости (480 Мбит/с — всего в 2 раза медленнее, чем Gigabit Ethernet) требует тщательного согласования приемопередатчиков и линии связи.

Хабы USB 1.1 обязаны поддерживать скорости FS и LS, скорость подключенного к хабу устройства определяется автоматически по разности потенциалов сигнальных линий. В спецификации 2.0 скорость 480 Мбит/с должна уживаться с прежними, но при таком соотношении скоростей обмены на FS и LS «съедят» возможную полосу пропускания шины без всякого «удовольствия» (для пользователя); Чтобы этого не происходило, хабы USB 2.0 приобретают черты коммутаторов пакетов.

Хаб является ключевым элементом системы РпР в архитектуре USB. Хаб выполняет множество функций:

обеспечивает физическое подключение устройств, формируя и воспринимая сигналы в соответствии со спецификацией шины на каждом из своих портов;

управляет подачей питающего напряжения на нисходящие порты, причем предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом;

отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях;

обнаруживает ошибки на шине, выполняет процедуры восстановления и изолирует неисправные сегменты шины;

обеспечивает связь сегментов шины, работающих на разных скоростях.

Хаб следит за сигналами, генерируемыми устройствами.

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации.

24. Модель передачи данных

Каждое устройство на шине USB (их может быть до 127) при подключении автоматически получает свой уникальный адрес.

Каждая конечная точка имеет свой номер и описывается следующими параметрами:

требуемая частота доступа к шине и допустимые задержки обслуживания;

требуемая полоса пропускания канала;

требования к обработке ошибок;

максимальные размеры передаваемых и принимаемых пакетов;

тип передачи;

направление передачи

Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса состояния устройства. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине.

Кроме нулевой точки, устройства-функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные — до 15 точек ввода и 15 точек вывода. Дополнительные точки не могут быть использованы до их конфигурирования.

Каналом (pipe) в USB называется модель передачи данных между хост-контроллером и конечной точкой устройства. Имеются два типа каналов: потоки и сообщения. Поток (stream) доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Сообщение (message) имеет формат, определенный спецификацией USB.

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB.

25. Типы передачи данных

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных.

Управляющие посылки (control transfers) используются для конфигурирования устройств во время их подключения и для управления устройствами в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных.

Передачи массивов данных (bulk data transfers) — это передачи без каких-либо обязательств по задержке доставки и скорости передачи. Передачи массивов могут занимать всю полосу пропускания шины, свободную от передач других ипов. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Доставка гарантированная — при случайной ошибке выполняется повтор. Передачи массивов уместны для обмена данными с принтерами, сканерами, устройствами хранения и т. п.

Прерывания (interrupt) — короткие передачи, которые имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 10−255 мс для низкой, 1−255 мс для полной скорости, на высокой скорости можно заказать и 125 мкс. При случайных ошибках обмена выполняется повтор. Прерывания используются, например, при вводе символов с клавиатуры или для передачи сообщения о перемещении мыши.

Изохронные передачи (isochronous transfers) — непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины с гарантированным временем задержки доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные не повторяются — недействительные пакеты игнорируются.

Архитектура USB предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств. Шина USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержанных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

26. Хост

У каждой шины USB должен быть один (и только один!) хост — компьютер с контроллером USB. Хост делится натри основных уровня.

Интерфейс шины USB обеспечивает физический интерфейс и протокол шины. Интерфейс шины реализуется хост-контроллером, имеющим встроенный корневой хаб, обеспечивающий точки физического подключения к шине (гнезда USB типа «А»). Хост-контроллер отвечает за генерацию (микро) кадров. На аппаратном уровне хост-контроллер обменивается информацией с основной памятью компьютера, используя прямое управление шиной (bus-mastering) с целью минимизации нагрузки на центральный процессор

Система USB, используя хост-контроллер (ы), транслирует клиентское «видение» обмена данными с устройствами в транзакции, выполняемые с реальными устройствами шины. Система отвечает и за распределение ресурсов Система состоит из трех основных частей:

a. Драйвер хост-контроллера. - HCD (Host Controller Driver) — модуль, привязанный к конкретной модели контроллера, обеспечивающий абстрагирование драйвера USB и позволяющий в одну систему включатьГнесколько разнотипных контроллеров.

b. Драйвер USB — USBD (USB Driver) — обеспечивает основной интерфейс (USBDI) между клиентами и устройствами USB.

c. Программное обеспечение хоста реализует функции, необходимые для функционирования системы USB в целом: обнаружение подключения и отключения устройств и выполнение соответствующих действий по этим событиям.

Клиенты USB — программные элементы (приложения или системные компоненты), взаимодействующие с устройствами USB.

Хост-контроллер является аппаратным посредником между устройствами USB и хостом. Программная часть хоста в полном объеме реализуется операционной системой. До загрузки ОС может функционировать лишь усеченная часть 11U USB, поддерживающая только устройства, требующиеся для загрузки.

27. Шина FireWire

Стандарт для высокопроизводительной последовательной шины. Целью являлось создание шины, не уступающей параллельным шинам при существенном удешевлении и повышении удобства подключения.

Основные свойства шины FireWire перечислены ниже.

Многофункциональность. Шина обеспечивает цифровую связь до 63 устройств без применения дополнительной аппаратуры (хабов). Устройства бытовой электроники — цифровые камкордеры (записывающие видеокамеры), камеры для видеоконференций, фотокамеры и т. д.

Высокая скорость обмена и изохронные передачи. Шина позволяет даже на начальном уровне (S100) передавать одновременно два канала видео (30 кадров в секунду) широковещательного качества и стерео-аудиосигнал с качеством CD.

Низкая цена компонентов и кабеля.

Легкость установки и использования. FireWire расширяет технологию РпР. Система допускает динамическое (горячее) подключение и отключение устройств. Устройства автоматически распознаются и конфигурируются при включении/ отключении.

Кабельная сеть 1394 собирается по простым правилам — все устройства соединяются друг с другом кабелями по любой топологии (древовидной, цепочечной, звездообразной).

Допускается множество вариантов подключения устройств, но со следующими ограничениями:

между любой парой узлов может быть не более 16 кабельных сегментов;

длина сегмента стандартного кабеля не должна превышать 4,5 м;

суммарная длина кабеля не должна превышать 72 м (применение более качественного кабеля позволяет ослабить влияние этого ограничения);

топология не должна иметь петель, хотя в последующих ревизиях предполагается автоматическое исключение петель в «патологических» конфигурациях.

Стандартный кабель 1394 содержит 6-проводов, заключенных в общий экран, и имеет однотипные 6-контактные разъемы на концах.

28. Аналоговые интерфейсы RGB (интерфейсы графических адаптеров)

Интерфейс RGB Analog с аналоговой передачей сигналов яркости базисных цветов позволяет передавать формально неограниченное число оттенков.

Сигналы базисных цветов в современных адаптерах формируются 8-разрядными ЦАП, что позволяет выводить 16,7 миллионов цветов (True Color). Для уменьшения перекрестных помех эти сигналы передаются по витым парам, с собственными обратными линиями (Return). Для согласования с кабелем в мониторе каждая сигнальная пара нагружается резистором. Черному цвету соответствует нулевой потенциал на линиях всех цветов.

Сигналы управления, состояния и синхронизации передаются сигналами ТТЛ.

Временные диаграммы интерфейса RGB

29. Интерфейсы компьютерных сетей

Однопроводной интерфейс i-wire, разработанный фирмой Pallar для применения в 3х основных сферах:

1) Приборах для решения проблем идентификации, перекосы и преобразование информации.

2) программирование встроенной памяти интегральных компонентов.

3) систематизации (технология сетей i-wire)

Применение в (1) сфере давно используется, во (2) — существенно облегчает работу по перестройке функций полупроводниковых компонентов с малым количеством внешних выводов. В (3) только начинается, с хорошими отзывами.

Применение однопрограммной среды передачи указывает на то, что добиться высоких скоростей передачи трудно, однако если проанализировать большинство объектов, требующего автономии, то более 60% случаев скорость порядка 15 Кб-с достаточно.

Плюсы:

простое и оригинальное решение адресуемости

несложный протокол

простая структура среды передачи

малое потребление компонентов

легкое изменение конфигурации сети

значительная протяженность линий передач

исключительная дешевизна всей технологии в целом.

Основные принципы

i-wire представляет собой информационную сеть, использующуюся для осуществления связи и одну линию данных и земляной провод. Т.о. для реализации среды обмена в этих сетях используют доступные кабели, содержащие не экранированную витую пару различных категорий и даже телефонный провод. Длина первого сегмента — 300 м, используются репидоры полная линия до 1 км.

Основной архитектурой является топология общей шины, когда каждое из устройств подключается непосредственно к единой магистрали без каскадных соединений и сдвигов., в качестве базовой структуры сети используется структура с одним ведущим (мастером) и многочисленными ведомыми устройствами, но существуют специфические структуры (режим мультимастера). Конфигурация любой i-ware может меняться в процессе работы, не создавая помех в дальнейшей эксплуатации и работе всей системы в целом. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе i-wire специальной команды поиска ведомого устройства (поиск ПЗУ). Данная команда позволяет быстро определить новых участников обмена, стандартная скорость такой команды 75 узлов в секунду.

Из-за наличия в составе любого устройства индивидуального уникального адреса, соответственно пространство адресов не ограничено. Любое устройство подключается к системе прокладки без настроек и конфигурации. Однопроводниковые компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами. В основе обмена информацией лежит управление изменением длительности временных интервалов, импульсных сигналов в однопроводной сети и их измерение.

Передачи сигналов i-wire используется асинхронная и полудуплексная, и вся информация циркулируется в сети 2х типов: команда, данные. Команда генерируется мастером и обеспечивает различные варианты поиска ведомых устройств.

30. CAN-интерфейс

CAN является высокоинтегрированным сетевым интерфейсом передачи данных со скоростью до 1 Мбит/сек. Устройства в CAN-системе соединяются по шине, состоящей из 3-х проводов (2 сигнальных и один общий).

Сообщения данных, передаваемые из любого узла по CAN-шине, могут содержать от 1 до 8 байт. Каждое сообщение помечено идентификатором, который в сети является уникальным (например: «Нагрев до 240″, „Отказ нагрева“ ,» Бункер загружен", и т. д.). При передаче другие узлы сети получают сообщение и каждый из них проверяет идентификатор. Если сообщение имеет отношение к данному узлу, то оно обрабатывается, в противном случае — игнорируется.

Идентификатор определяет тип и приоритет сообщения. Более низкому числовому значению идентификатора соответствует более высокое значение приоритета. Сообщение, имеющее более высокий приоритет, передается раньше сообщения, имеющего более низкий приоритет.

Физическая шина представляет собой витую пару (экранированную или неэкранированную) и общий провод. Плоская пара (телефонный тип кабеля) также работает хорошо, но более чувствительна к внешним источникам шума.

Для обеспечения безотказной работы в тяжёлых условиях по стандарту ISO11898 CAN-контроллер обеспечивает работу в сети в следующих случаях:

любой из 3-х проводов в шине оборван,

любой провод — закорочен на питание,

любой провод — закорочен на общий провод.

При обрыве 2-х проводов часть функций основной системы может быть реализована в каждой из подсистем, созданных обрывом.

Сетевая гибкость и лёгкость расширения

Принятая в CAN-сети схема передачи сообщений обеспечивает большие возможности при создании, расширении и модернизации систем.

31. Магистральный интерфейс AGP

фирмой Intel был предложен выделенный интерфейс для подключения видеокарты — AGP.). Впервые порт AGP был представлен в системах на основе Pentium II. В таких системах чипсет был разделен на два моста (рис. 14.3): «северный» (North Bridge) и «южный» (South Bridge). Северный мост связывал ЦП, память и видеокарту — три устройства в системе, между которыми курсируют наибольшие потоки данных. Таким образом, на северный мост возлагаются функции контроллера основной памяти, моста AGP и устройства сопряжения с фасадной шиной процессора FSB (Front-Side Bus). Собственно мост PCI, обслуживающий остальные устройства ввода-вывода в системе, в том числе контроллер IDE (PIIX), реализован на основе южного моста.

Интерфейс AGP по топологии не является шиной, т.к. обеспечивает только двухточечное соединение, т. е. один порт AGP поддерживает только одну видеокарту. В то же время, порт AGP построен на основе PCI 2.1 с тактовой частотой 66 МГц, 32-разрядной шиной данных и питанием 3,3 В. Поскольку порт AGP и основная шина PCI независимы и обслуживаются разными мостами, это позволяет существенно разгрузить последнюю.

Главная обработка трехмерных изображений выполняется в основной памяти компьютера как центральным процессором, так и процессором видеокарты. AGP обеспечивает два механизма доступа процессора видеокарты к памяти:

DMA (Direct Memory Access) — обычный прямой доступ к памяти. В этом режиме основной памятью считается встроенная видеопамять на карте, текстуры копируются туда из системной памяти компьютера перед использованием их процессором видеокарты;

DIME (Direct In Memory Execute) — непосредственное выполнение в памяти. В этом режиме основная и видеопамять находятся как бы в общем адресном пространстве. Общее пространство эмулируется с помощью таблицы отображения адресов GARP (Graphic Address Remapping Table) блоками по 4 Кбайт. Таким образом, процессор видеокарты способен непосредственно работать с текстурами в основной памяти без необходимости их копирования в видеопамять. Этот процесс называется AGP-текстурированием.

Существуют модификации порта AGP:

спецификация AGP Pro для видеокарт с большой потребляемой мощностью (до 110 Вт), включающая дополнительные разъемы питания;

64-битный порт AGP, используемый для профессиональных графических адаптеров;

интерфейс AGP Express, представляющий собой эмуляцию порта AGP при помощи сдвоенного слота PCI в форм-факторе AGP. Применяется на некоторых материнских платах на основе PCI Express для поддержки AGP-видеокарт.

Отметим, что многие преимущества AGP носят потенциальный характер и могут быть реализованы лишь при поддержке аппаратных средств графического адаптера и ПО. Графический адаптер с интерфейсом AGP может реально вести себя по-разному:

не задействовать конвейеризацию, а использовать только быструю запись PCI (Fast Write);

не работать с текстурами, расположенными в системной памяти, но использо вать более быстрый обмен данными между памятью и локальным буфером;

использовать оптимальное распределение текстур между локальной и систем ной памятью, избегая конфликтов с обращениями к памяти от процессора.

В настоящее время порт AGP практически исчерпал свои возможности и активно вытесняется системным интерфейсом PCI Express.

32. Интерфейс I2C

Интерфейс последовательной шины PC, введенной фирмой Philips как простое и дешевое средство сопряжения микросхем бытовой электроники. Он очень удобен для обмена небольшими объемами данных, например, для конфигурации различных устройств. Спецификация шины PC определяет протокол двусторонней передачи данных по двум сигнальным линиям. Шина Inter 1C Bus (шина соединения микросхем), или, кратко, PC, — синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами. Шина ориентирована на 8-битные передачи. Передача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широковещательной. Шина PC используется уже давно, ее официальная версия 1.0 вышла в 1992 г. По сравнению с предшествующими (черновыми) версиями, здесь отсутствует (как запутанная и неиспользуемая) возможность программного задания адреса ведомого устройства. Здесь появился новый высокоскоростной режим — High speed (Hs), — в котором скорость передачи может достигать 3,4 Мбит/с. Интерфейс PC использует две сигнальные линии: данных SDA (Serial Data) и синхронизации SCL (Serial Clock). В обменах участвуют два устройства — ведущее (master) и ведомое (slave). Ведущее и ведомое устройства могут выступать в роли и передатчика, и приемника данных. Протокол допускает наличие на шине нескольких ведущих устройств и имеет простой механизм арбитража (разрешения коллизий).

Начало любой передачи — условие Start — инициируется ведущим устройством, убедившимся в том, что шина свободна. Завершается операция переводом сигнала SDA из низкого уровня в высокий при высоком уровне SCL — условие Stop. SCL Ведущее устройство может начать очередную передачу вслед за текущей, не вводя условие.

Stop, — это называется repeated Start.

В протоколе условия S и Sr почти равнозначны. Каждая посылка данных состоит из 8 бит данных, формируемых передатчиком после чего передатчик на один такт освобождает линию данных для получения подтверждения. Приемник во время девятого такта формирует бит подтверждения Ac k, по которому передатчик убеждается, что его «услышали». После передачи бита подтверждения ведомое устройство может задержать следующую посылку, удерживая линию SCL на низком уровне. Ведомое устройство в режимах F/S может замедлить передачу по шине и на уровне приема каждого бита, удерживая SCL на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком.

33. Интерфейс ATA

Параллельный интерфейс АТА представляет собой шину, в которой все сигналы соответствуют стандартной логике ТТЛ:

высокий уровень выходного сигнала не ниже 2,4 В (при токе до 400 мкА, сигнал DMARQ — до 500 мкА), низкий уровень не выше 0,5 В (при токе 4 мА, для линии DASP ради совместимости со старыми устройствами — 12 мА);

высокий уровень входного сигнала не ниже 2,0 В, низкий уровень не выше 0,8 В.

Все информационные сигналы интерфейса передаются через 40-контактный разъем, у которого ключом является отсутствующий на вилке и закрытый на розетке контакт 20. Использование в качестве ключа выступа на корпусе розетки и прорези в бандаже вилки стандартом не приветствуется. Для соединения устройств применяется плоский многожильный кабель-шлейф, длина кабеля не должна превышать 0,46 м (18″), допустимая емкость проводников — неболее 35 пФ. Терминаторы стандартом не предусматриваются (они имеются в каждом устройстве и хост-адаптере), но если кабель с тремя разъемами (розетками) используют для подключения одного устройства, то устройство и хост-адаптер рекомендуется подключать к противоположным концам кабеля. В большинстве кабелей одноименные контакты всех разъемов соединяются своими проводами и все коннекторы равноправны. Встречаются (редко) ленточные кабели с кабельной выборкой.

Интерфейс SATA

Интерфейс PCI-Express

Интерфейс SCSI