«А.О. Ключев, Д.Р. Ковязина, Е.В. Петров, А.Е. Платунов ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ Учебное пособие Санкт-Петербург 2010 Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Петров Е.В., Платунов А.Е. Интерфейсы периферийных устройств. – ...»

На рисунке ниже показана эквивалентная электрическая схема при обмене последовательными данными по стандарту RS-232C. Эта эквивалентная схема независима от того, где расположен генератор в DTE или DCE. По схеме видно, что опорное напряжение является общим для всей схемы, поэтому такая схема относится к классу однопроводных или несимметричных схем.

Характеристики сигнала обмена данными по стандарту RS-232C включены в международный стандарт ITU-T v.28 [101].

Рис. 44. Эквивалентная электрическая схема RS-232C.

V0 – напряжение генератора при разомкнутой схеме.

R0 – общее сопротивление генератора.

C0 – общая мкость генератора.

V1 – напряжение между сигнальной линией и общим проводом в месте CL – общая мкость примника.

RL – общее сопротивление примника.

EL – ЭДС примника при разомкнутой схеме.

Стыком интерфейса RS-232C считается линия соединения DTE плюс кабель с DCE, т.е. соединительный кабель интерфейса входит в состав DTE [101].

Рис. 45. Практическая схема стыка интерфейса RS-232C.

Электрические характеристики примника сигналов:

RL – общее сопротивление примника должно находиться в пределах 3000...7000 Ом.

V1 – напряжение на входе примника должно быть в пределах +3...+15В.

EL – ЭДС примника при разомкнутой схеме должно быть не более +2В.

CL – общая мкость цепей примника должна быть не более 2500 пФ.

Входной импеданс примника не должен быть индуктивным.

Электрические характеристики генератора сигналов [101]:

Допускается короткое замыкание сигналов.

Допускается оставлять выход генератора без нагрузки.

V0 – напряжение генератора при разомкнутой схеме должно быть не более +25В/+15 В (RS-232/ITU-T v.28).

R0 и C0 для генератора не нормируются.

Короткое замыкание цепей генератора не должно вызывать токи величиной более 0,5А.

Если EL=0, то напряжение на входе примника должно быть V1=+5...+15 В, для любого диапазона нагрузки генератора RL=3000...7000 Ом.

Генератор должен быть способен работать на мкостную нагрузку C плюс 2500 пФ.

Уровни сигналов для стандарта RS-232C [101]:

Логической «1» считается информационный сигнал с напряжением V менее -3 В.

Логическим «0» считается информационный сигнал с напряжением V более +3 В.

Сервисный или синхронизирующий сигнал считается включенным «ON» («MARK») если V1 более +3 В.

Сервисный или синхронизирующий сигнал считается выключенным «OFF» («SPACE») если V1 менее -3 В.

Напряжение в диапазоне V1=-3 В...+3 В считается переходной областью.

Характеристики сигналов [101]:

Все сигналы вошедшие в область перехода V1=-3В...+3В должны выйти в противоположный сигнал без повторного захода в эту область (т.е.

монотонно).

Не допускается колебания сигнала в области перехода.

Сервисные и синхронизирующие сигналы должны проходить область перехода за время не более 1мс.

Сигналы данных должны проходить область перехода за время не более 3% от времени одиночного элемента, но не более чем за 1 мс.

Скорость нарастания фронта сигнала не должна превышать величины 30В за миллисекунду.

Ограничения первых двух пунктов не относятся к электромеханическим устройствам размыкания и замыкания цепи [67], [53], [61], [27], [72].

3.5.8 Особенности параллельных интерфейсов Высокая стоимость погонного метра магистрали обусловлена большим количеством линий.

Высокая скорость: удвоение количества линий для передачи данных способствует удвоению скорости канала. На практике это не совсем так, потому что присутствует разница в скорости распространения сигналов по параллельным линиям, т. е. разное время прихода сигналов (битов) на приемной стороне. В итоге скорость параллельного интерфейса снижается до скорости передачи сигнала по самой его медленной линии.

Ограниченная длина интерфейса, которая обычно составляет от нескольких метров до десятков метров и в редких случаях достигает сотни. Объясняется это перекрестными помехами, наводками в соседних линиях, возникающими при передаче данных. Такие физические эффекты уменьшают не только длину кабеля, но и скорость передачи данных по нему (для минимизации помех).

Простота схемотехнической реализации. Параллельный интерфейс на стороне передатчика и приемника должен иметь параллельные порты (буферы-защелки) для чтения/записи данных с шины. В случае последовательного интерфейса необходимым является преобразование параллельного кода в последовательный для передачи и обратное преобразование при приеме данных, которые выполняют специализированные микросхемы (например, UART в случае интерфейса RS-232). Кабели параллельных интерфейсов обычно имеют недорогую простую конструкцию, например, ленточную.

Широкое распространение параллельных интерфейсов связано с состоянием развития элементной базы в последней трети XX века. Тогда большая часть изделий базировалась на микросхемах малой и средней степени интеграции. Более простая реализация параллельного интерфейса по сравнению с последовательным выливалась в улучшение технических и экономических характеристик изделия. Кабельное соединение имело меньшую относительную стоимость. К настоящему времени получила развитие специальная элементная база. Порт интерфейса как последовательного, так и параллельного чаще всего может быть реализован на одной из специальных микросхем. Поэтому относительная стоимость кабельного соединения возросла. Применение последовательных интерфейсов стало более целесообразным на магистралях любой, но особенно большой длины. Таким образом, удешевление элементной базы, растущий спрос на высокоскоростную передачу данных через большие расстояния, общая тенденция в увеличении плотности информационных потоков на единицу объема (или веса) аппаратуры привели к лавинообразному росту рынка последовательных интерфейсов. В результате имеют место быть следующие факты:

Последовательный высокоскоростной обмен данными между узлами вычислительных систем/сетей с переходом к беспроводным технологиям связи.

Большие потоки данных внутри вычислительных модулей (платы) и внутри кристаллов (микроконтроллеры, системы на кристалле) передаются по параллельным интерфейсам.

Параллельные интерфейсы стали уходить в прошлое в результате наступления последовательных интерфейсов: IEEE 1284 уступил USB, параллельный ATA – SATA, SCSI – SAS.

С другой стороны, идеология параллельных интерфейсов нашла свое проявление в современных технологиях беспроводной связи.

3.5.9 Мультиплексирование, конвейеризация, блочная передача Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных, т.е. одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла – адрес, в конце цикла – данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена. По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные [37], [98].

Рис. 46. Мультиплексирование шин адреса и данных.

Конвейеризация (pipelining) – обработка информации одновременно работающими модулями, каждый из которых выполняет заданную команду и передат результат другому модулю.

В PCI во время реакции памяти на запрос шина простаивает (но не свободна). Конвейерный доступ AGP позволяет в это время передавать следующие запросы, а потом получить поток ответов.

Блочная передача данных – вариант передачи, при котором минимизируются расходы на передачу служебной информации с целью увеличения скорости передачи больших объемов данных. Например, при блочной передаче данных на шине VMEbus адрес выставляется только один раз в начале каждого блока, далее данные передаются подряд, до окончания блока.

3.5.10Устройства гальванической изоляции в аппаратных интерфейсах Гальваническая изоляция или гальваническая развязка – разделение электрических цепей посредством не проводящего ток материала. Для реализации гальванической изоляции можно использовать трансформаторы, конденсаторы, реле и оптроны [74].

Изоляция применяется для защиты от больших токов или напряжений, вызванных высоковольтными помехами и возникающих при наличии замкнутых цепей заземления. Такие замкнутые петли могут присутствовать в любой системе, где имеется несколько заземлений. Заземления в различных частях системы, связанных длинным кабелем, будут иметь различный потенциал, поэтому ток заземления будет проходить по соединительному кабелю. В отсутствие изоляции этот ток может создать дополнительные шумы, ухудшить качество канала или даже вывести из строя компоненты системы.

Токи, наводимые в длинных кабелях в условиях промышленности, например, при включении и выключении мощных электромоторов, при электростатических разрядах или при разрядах молнии, могут вызвать быстрые изменения потенциала заземления, величиной в сотни или тысячи вольт. При этом на информационный сигнал, передаваемый по каналу, накладывается высоковольтный импульс. При отсутствии изоляции этот высоковольтный импульс может нарушить передачу сигнала или даже вывести систему из строя.

Подключение всех устройств, связанных общим интерфейсом, к одному заземлению сможет защитить систему от таких разрушающих воздействий, а изоляция устройств друг от друга позволяет избавиться от замкнутых "петлевых" заземлений.

3.5.10. DC/DC преобразователи предназначены для преобразования одного уровня напряжения в другой. Преобразователи, имеющие гальваническую изоляцию, можно использовать для питания элементов гальванической изоляции интерфейсов.

Реализация гальванической изоляции дискретного выхода 3.5.10. модуля ввода-вывода SDX- Дискретные выходы в модуле ввода-вывода SDX-09 реализованы на твердотельных реле (Solid State Relay, SSR) CPC1035N и позволяют коммутировать на выходе до 300В с максимальным током нагрузки 100 мА.

Управление дискретными выходами программное с помощью линий DOUTx (где x – (0..8) номер дискретного выхода). Подача логического нуля на линии DOUT приводит к замыканию контактов соответствующего дискретного выхода. При подаче нуля на вход P5 на диоде D56 появляется разность потенциалов, достаточная для его зажигания.

Рис. 48. Реализация гальванической изоляции дискретного выхода модуля ввода-вывода SDX-09.

Основными отличиями твердотельных реле от электромеханических являются:

Отсутствие электромагнитных помех в момент переключения.

Высокое быстродействие.

Отсутствие акустического шума.

Отсутствие дребезга контактов реле.

Высокое сопротивление изоляции между входом и выходом.

Большое количество переключений, не менее 109 раз.

Малое энергопотребление.

Напряжение изоляции CPC1035N – 1500В.

Рис. 50. Временные характеристики переключения твердотельного реле: Ton = 2мс, Toff = 1 мс.

Необходимо заметить, что твердотельные реле данного типа срабатывают достаточно медленно. Длительность фронта достигает 2 мс, длительность спада 1 мс.

Реализация гальванической изоляции дискретного входа 3.5.10. модуля ввода-вывода SDX- Дискретные входы выполнены на базе оптронов KPC357NT. При подаче напряжения в диапазоне 0..24 В на дискретные входы на программно доступной линии DIN x (где x – (0..8) номер дискретного входа) формируется сигнал логического нуля.

Рис. 51. Реализация гальванической изоляции дискретного входа модуля ввода-вывода SDX-09.

Рис. 52. Оптрон KPC357, состоящий из светодиода и фототранзистора.

(кратковременно до 3750В).

Реализация гальванической изоляции RS-232 в контроллере 3.5.10. Гальваническая изоляция нужна для защиты ядра вычислительной системы от помех, от разности напряжений при коммутации (установке оборудования).

Реализуется с помощью трансформаторной изоляции или с помощью оптоэлектронной схемы. Недостаток трансформаторов состоит в том, что они работают только на переменном токе. Оптоэлектронные схемы (оптопары) состоят из светоизлучающих приборов (диоды) и фотопримников (фоторезисторы, фототранзисторы). Оптопары работают хорошо только на полярном подключении, что неудобно при передаче аналоговых сигналов.

Гальваническая изоляция позволяет защитить SDK-1.1 от высоких напряжений, различных наводок и подключать его к ПК во время работы.

Рис. 53. Гальванически изолированный последовательный интерфейс SDK-1.1.

светодиода (выводы 1,3) и фототранзистора (выводы 6,4).

закрывается. Гальваническая изоляция достигается как раз VA-0505S1 (U18) – DC/DC преобразователь из 5 вольт в 5. Напряжение гальванической изоляции – 1000В (кратковременно до 3000В). На входы +Vin и –Vin поступает напряжение с внутренней шины питания SDK-1.1. С выходов +Vout и –Vout снимается напряжение для питания внешних цепей, находящихся за пределами барьера гальванической изоляции. Сигнальные линии Tx и Rx проходят через оптроны KPC357 (U8, U9).

Необходимо заметить, что оптроны срабатывают не мгновенно. В данном типе оптронов длительность фронта (tr) и спада (tf) выходного импульса может быть от единиц до десятков мкс.

Рис. 54. Зависимость времени реакции оптрона от сопротивления нагрузки Именно поэтому в учебных стендах SDK-1.1 скорость передачи данных по RS-232C ограничена скоростью 19200 бит/с. Длительность одного бита при такой скорости Tбит = 1/19200 = 52 мкс. Так как суммарная длительность фронта и спада (время реакции) у данного типа оптронов может достигать мкс, на больших скоростях оптроны просто не будут успевать срабатывать.

ST202CD (U17) – примопередатчик, преобразующий уровень TTL (0..+5В) в уровни стандарта RS-232C.

Рис. 55. Структурная схема приемопередатчика ST Технология iCoupler фирмы Analog Devices 3.5.10. Изоляторы iCoupler – это устройства гальванической развязки на основе трансформаторов, выполненных на кристалле кремния; эти трансформаторы играют ту же роль, что и пара светодиод/фотодиод в оптопаре. Планарный трансформатор изготовлен в ходе технологического процесса КМОП на этапе металлизации и имеет ещ один дополнительный слой осажденного золота.

Одну «обмотку» трансформатора от другой изолирует слой электрически прочного синтетического полимера (полиимида). Эти две «обмотки»

подключены к быстродействующим КМОП-схемам, которые обеспечивают интерфейс между трансформатором и внешними сигналами. Микроэлектронная технология дает возможность с минимумом затрат осуществить интеграцию нескольких каналов цифровой изоляции и других электронных схем в одном корпусе. Устройства iCoupler не имеют таких присущих оптопарам недостатков, как неопределенный коэффициент передачи тока, нелинейная передаточная функция и дрейф (температурный и временной); кроме того, устройство iCoupler позволяет уменьшить энергопотребление на 90% и для его работы не требуется внешних драйверов и дискретных компонентов.

Электрическая схема, подключенная к первичной «обмотке»

трансформатора, преобразует переходы входного сигнала в импульсы длительностью 1 нс, эти импульсы подаются на трансформатор; схема, подключенная ко вторичной «обмотке», принимает эти импульсы и восстанавливает входной сигнал. Схема обновления сигнала (refresh) на входной стороне обеспечивает корректность выходного сигнала, даже если входной сигнал не меняет свое состояние. Это важно в ситуации включения питания, а также при передаче данных с низкой скоростью или при передаче постоянного сигнала.

Рис. 56. Устройство и поперечное сечение изолятора iCoupler.

Так как назначение устройства iCoupler заключается в изоляции входа от выхода, входная и выходная схемы располагаются на различных кристаллах.

Собственно трансформатор может быть расположен или на одном из этих кристаллов, или на третьем кристалле. Все кристаллы располагаются в стандартном пластиковом корпусе, в таких корпусах выпускаются многие современные микросхемы.

Особенностью многоканальных устройств iCoupler является наличие в одном корпусе каналов на передачу и на прием. Сами трансформаторы могут передавать сигнал в любую сторону, направление определяется схемами, подключенными к трансформатору. Поэтому многоканальные изоляторы поставляются с различными конфигурациями (с различными сочетаниями направлений передачи).

Примеры реализации гальванической изоляции различных интерфейсов при помощи изоляторов iCoupler демонстрируется на рисунках ниже.

Рис. 57. Использование микросхемы ADuM1400 для реализации гальванической изоляции в интерфейсе Рис. 58. Реализация гальванической изоляции в интерфейсе RS-485 с полным дуплексом.

Рис. 59. Гальваническая изоляция интерфейса I2C на базе ADuM 1250.

3.5.11 Горячее подключение и автоконфигурирование 3.5.11. Горячее подключение (HotPlug) и горячая замена (HotSwap) – замена оборудования в компьютерной системе во время работы (без выключения питания и остановки процессора, системы). Горячее подключение, отключение и замена устройств предназначено для обеспечения следующих свойств интерфейса [38]:

Во-первых, это безопасность переключений "на ходу" как для самих устройств и их интерфейсных схем, так и для целостности хранящихся и передаваемых данных и, наконец, для человека.

Во-вторых, это возможность использования вновь подключенных устройств без перезагрузки системы, а также продолжения устойчивой работы системы при отключении устройств.

Далеко не все внешние интерфейсы поддерживают горячее подключение в полном объеме, так, например, зачастую сканер с интерфейсом SCSI должен быть подключен к компьютеру и включен до загрузки ОС, иначе он не будет доступен системе. С новыми шинами USB и Fire Wire проблем горячего подключения не возникает. Для внутренних интерфейсов горячее подключение несвойственно. Это касается и шин расширения, и модулей памяти, и даже большинства дисков АТА и SCSI. Горячее подключение поддерживается для шин расширения промышленных компьютеров, а также в специальных конструкциях массивов устройств хранения.

Горячее подключение обеспечивают интерфейсы: USB, FireWire, PCMCIA, PCI Express, Fibre Channel, eSATA, Bluetooth, ZigBee.

В большинстве современных устройств, допускающих горячую замену, используются дополнительные контакты сделанные таким образом, чтобы быть длиннее остальных и первыми входить в контакт с присоединяемой частью.

Остальные контакты делаются короче, всего может быть несколько различных длин. Задержка между подключением первого контакта и последующих составляет от 25 до 250 миллисекунд.

Цепи питания подключаются в две стадии, в первой из которых с помощью более длинных контактов подключается цепь, ограниченная по току, а затем более короткими – питание полной мощности. Все цепи, участвующие в соединении, содержат защиту от статического электричества.

Вот пример типичной последовательности подключения:

1. Замыкаются наиболее длинные контакты (заземление). Тем самым достигается электрическая безопасность соединения и защита от статического заряда.

2. Замыкаются длинные или средние контакты предварительного питания.

Заряжаются входные контуры цепей питания.

3. Задержка в десятки миллисекунд.

4. Подключаются короткие контакты питания.

5. Соединение считается установленным. Включается сигнал инициализации питания.

6. Цепь мягкого включения питания подает напряжение на устройство.

7. Задержка в десятки миллисекунд.

8. Цепь питания закончила мягкое подключение. Выключается сигнал инициализации питания.

9. Устройство начинает полноценную работу.

Особую трудность представляет соединение нескольких устройств.

Подсоединение второго, третьего устройства может нарушать работу уже подключенного. Для борьбы с этим явлением используют фильтры в выходных цепях или временное логическое отключение передачи данных.

3.5.11.2 Plug and Play Plug and Play (PnP) – технология, предназначенная для быстрого определения и конфигурирования устройств в компьютере и других технических устройствах.

В ряде интерфейсов заложены возможности PnP, которые предназначены для снятия с пользователей забот по конфигурированию подключаемых устройств. В современных интерфейсах эти возможности закладывались изначально (PCI, USB, Fire Wire, Bluetooth), и эти функции в большинстве случаев работают нормально. Однако для интерфейсов-ветеранов (например, ISA, SCSI) технология PnP является поздней искусственной надстройкой, работающей с переменным успехом (Plug and Pray - включай и молись). Часто побочные эффекты вызваны наследием "тяжелого прошлого" - соседством устройств PnP с традиционными (legacy) устройствами. На закате шины ISA ее система PnP в общем работала, но в SCSI от идей автоконфигурирования со временем отказались. При разработке собственных устройств встает вопрос выбора подходящего интерфейса подключения. Этот вопрос следует решать, исходя из принципа разумной достаточности, по возможности отдавая предпочтение внешним интерфейсам. Следует помнить, что разработка аппаратной части устройства (hardware) тесно связана и с программной поддержкой устройств – как модулями ПО, исполняемыми процессором компьютера (software), так и программами встроенного микроконтроллера (firmware), на базе которого, как правило, строятся современные устройства.

Промышленностью выпускается множество моделей микроконтроллеров, имеющих популярные интерфейсы (USB, RS-232, PC и другие). Однако в ряде случаев приходится использовать и стандартизованные шины расширения ввода-вывода. Эти шины предоставляют более широкие возможности для взаимодействия процессора с аппаратурой, нескованные жесткими ограничениями внешних интерфейсов. Однако за универсальность и производительность внутренних шин расширения приходится расплачиваться более замысловатой реализацией интерфейсных схем и сложностями при обеспечении совместимости с другим установленным в компьютер оборудованием. Здесь ошибки могут приводить к потере работоспособности компьютера (хорошо если временной). Недаром серьезные производители компьютеров гарантируют работоспособность своих изделий только при установке сертифицированных (ими или независимыми лабораториями) карт расширения. При использовании внешних интерфейсов неприятности в случае ошибок чаще всего имеют отношение только к подключаемому устройству.

3.6 Внутрисистемный интерфейс AMBA AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) – шина, разработанная фирмой ARM для организации эффективного взаимодействия компонентов устройств, построенных на базе ядер фирмы. Шина AMBA – стандартная встроенная ASIC-шина, обеспечивающая быстрое модульное проектирование систем при упрощении многократного использования схемотехники и тестов.

ARM также обеспечивает возможность использования библиотеки PrimeCell периферии, которая соответствует AMBA стандарту и обеспечивают простую разработку ASIC и ASSP. При использовании AMBA с синтезируемыми версиями периферийных устройств, аппаратные средства системы и программное обеспечение могут быть разработаны на начальном этапе проектирования и, следовательно, может быть снижен риск ошибок проектирования конечной системы [6].

Согласно спецификации AMBA Rev 2.0 (AMBA Specification (Rev 2.0)) типовая шина AMBA 2 содержит высокоскоростную системную магистральную шину (AHB или ASB) и шину периферии (APB).

Рис. 60. Типовая вычислительная система на базе AMBA.

Системная шина соединяет встраиваемые процессоры, такие как ARMядра, с высокопроизводительной периферией, контроллерами DMA, встроенными памятью и интерфейсами.

Шина периферии работает с упрощенным протоколом и разработана для организации интерфейса с периферийными устройствами общего назначения или дополнительными периферийными устройствами. С системной шиной она соединяется через мост (bridge), способствующий снижению потребления системы.

В спецификации шины AMBA 2 определена методология тестирования, обеспечивающая быстрое тестирование модулей и кэш.

Фирмой ARM разработан набор макроячеек периферийных компонентов, которые фирма на основе лицензионных соглашений предоставляет заказчикам.

Периферийные компоненты фирмы ARM, библиотека которых получила наименование PrimeCell, представляют собой готовые к применению программные макроячейки (IP-блоки), при разработке которых обращалось внимание на возможность многократного их использования. Применяя PrimeCell периферию разработчик существенно экономит время и стоимость разработки за счет концентрации усилий на создании именно системы на кристалле, а не на разработке сначала необходимой периферии и лишь затем системы. В настоящее время в библиотеку входят:

Контроллеры статической памяти (SRAM).

Контроллеры динамической памяти (DDR, DDR2).

Контроллеры прямого доступа к памяти.

Контроллеры прерываний (VIC, Advanced VIC).

UART, синхронные последовательные интерфейсы (SPI), часы реального времени, средства ввода-вывода общего назначения (GPIO), интерфейсы смарт-карт, контроллеры цветных ЖКИ.

Рис. 61. Инструментальная система CoreLinkT AMBA Designer, предназначенная для разработки микроконтроллеров и СнК на базе ядра ARM с шинами AMBA AHB и AMBA APB.

Ведутся работы по дальнейшему расширению библиотеки.

Производительность устройств класса "система-на-кристалле" (СнК) в значительной мере зависит от эффективности взаимодействия всех встроенных компонентов и от эффективности их взаимодействия с внешним, относительно прибора, миром. В первую очередь это связано с различием в быстродействии встроенных компонентов, в особенностях организации интерфейсов.

Рис. 62. Пример простой системы на базе ARM7 с шинами AHB и APB, прилагаемый к CoreLinkT AMBA Для разработки микроконтроллеров и СнК на базе AMBA существуют специальные инструментальные средства. Например, CoreLinkT AMBA Designer [5] позволяет скомпоновать СнК из готовых IP компонентов. В состав IP-компонентов входят:

Контроллер памяти.

Подчиненный контроллер (32 и 64 бита).

Тестовый контроллер.

Контроллер SRAM.

Подчиненный контроллер для APB.

Сторожевой таймер для APB.

Другие IP-компоненты.

3.6.1 Внутрисистемный интерфейс AMBA AHB Внутрисистемный интерфейс AHB (Advanced High-performance Bus – расширенная высокопроизводительная шина) предназначен для объединения быстродействующих, высокопроизводительных модулей, работающих на высоких тактовых частотах.

Рис. 63. Схема типичного микроконтроллера на базе шины AMBA-AHB.

Рис. 64. Пример использования шины AMBA AHB в микроконтроллере NXP LPC1768 на базе Cortex-M3.

AHB позволяет соединить ядро микропроцессора с внутренними и внешними модулями памяти, контроллерами ПДП, быстродействующими сетевыми контроллерами Fast Ethernet, контроллерами USB-2.0 и т.д.

Рис. 65. Схема взаимодействия главных и подчиненных устройств, подключенных к шине AMBA AHB.

На рисунке показан фрагмент структуры микроконтроллера NXP LPC1768, выполненного на базе ядра ARM Cortex-M3. На схеме видно, что шиной AHB объединены вместе практически все элементы микроконтроллера, требующие большой скорости обмена данными. Через два моста, к шине AHB подключены две независимые шины APB, к которым подключаются сравнительно медленные периферийные устройства (UART, I2C, таймеры и так далее).

На рисунке шина AHB названа Matrix (матрица). Такое название справедливо, так как на самом деле шина является коммутатором, матрицей, связывающей несколько устройств попарно друг с другом в различные моменты времени. На рисунке ниже можно посмотреть реализацию шины AHB.

Мы видим, что арбитр шины управляет мультиплексорами, к которым подключены шины адреса и шины записи данных из главных устройств (Master) в подчиненные (Slave). Декодер управляет мультиплексором, через который считываются данные с подчиненных устройств. Хорошо видно, что для записи и чтения существуют раздельные шины.

Опишем простой вариант обмена данными на шине AMBA AHB:

1. Главное устройство выставляет адрес и управляющие сигналы по фронту сигнала HCLK.

2. Подчиненное устройство считывает значения с шины адресы (HADDR) и шины управления (Control) на следующем фронте HCLK.

3. После считывания адреса и данных подчиненное устройство может выдать ответ на шину в этом же цикле (сигнал HREADY активен).

4. Главное устройство считывает данные, выставленные подчиненным устройством в третьем цикле шины.

Подчиненное устройство может вставлять такты неготовности, используя сигнал HREADY (см. рисунок выше). Такт неготовности – это такой такт, во время которого обмен по шине не производится вследствие отсутствия готовых данных у одного из устройств.

В отличие от предыдущего рисунка здесь хорошо видно, что во втором и третьем тактах шины сигнал HREADY равен нулю. Такты неготовности используются для того, чтобы синхронизировать быстрое главное устройство и более медленное подчиненное.

В зависимости от состояния сигнала HTRANS[1:0] может быть выделено четыре типа передач на шине:

1. IDLE. Передача данных не требуется.

2. BUSY. Позволяет вставлять IDLE циклы в середину пакетной передачи.

3. NONSEQ. Индицирует начало одиночной или пакетной передачи. Адрес установленный в предыдущем цикле шины игнорируется.

4. SEQ. Показывает, что адрес в новом цикле шины инкрементируется на 1, а сигналы на шине управления такие же.

Тип пакетной передачи определяется сигналом HBURST[2:0]. Существует 8 вариантов пакетной передачи:

SINGLE (000) – одиночная передача.

INCR (001) – инкрементная передача с неизвестной длиной.

WRAP4 (010) – циклическое окно на 4 адреса.

INCR4 (011) – инкрементная передача на 4 адреса.

WRAP8 (100) – циклическое окно на 8 адресов.

INCR8 (101) – инкрементная передача на 8 адресов.

WRAP16 (110) – циклическое окно на 16 адресов.

INCR16 (111) – инкрементная передача на 16 адресов.

Режим WRAP (циклическое окно) позволяет работать циклически, по кругу, в заданном окне адресов. Режим INCR предполагает простой инкремент (прибавление на единицу) адреса в каждом цикле шины.

При передаче данных сигнал HWRITE становится активным (переводится в логическую «1»). В зависимости от состояния линий HSIZE[2:0] передаваться за один раз может 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 или 1024 бита данных. Эти биты (HSIZE) работают совместно с сигналами HBURST.

Рис. 71. Выбор подчиненного устройства с помощью сигналов HSEL.

Сигнал HPROT[3:0] определяют уровень защиты передаваемой информации: код операции, доступ к данным, пользовательский доступ, привилегированный доступ и так далее.

Выбор подчиненного устройство происходит с помощью декодера адреса, формирующего сигналы HSEL.

Сигнал HREADY используется для информирования главного устройства о завершении или продолжении передачи данных. Если уровень этого сигнала активный, то передача данных завершена.

Сигнал HRESP[1:0] используется для подтверждения транзакции. Его значениями могут быть: OKAY – транзакция завершена успешно, ERROR – ошибка, RETRY – повторить попытку, SPLIT – данные переданы не полностью.

Сигналы HWDATA[31:0] используются для передачи данных от главного устройства к подчиненным.

подчиненных устройств к главным.

Арбитраж используется для того, чтобы только один мастер имел доступ к шине в один момент времени. Рассмотрим основные сигналы:

HBUSREQx – запрос шины у арбитра шины.

HLOCKx – сигнал, выставляемый мастером и означающий захват шины.

HGRANTx – сигнал, выставляемый арбитром и обозначающий, что мастер получил доступ к шине.

HMASTER[3:0] – сигнал показывающий номер мастера, захватившего На рисунке видно, что в первом такте шины главное устройство выставляет сигнал запроса шины HBUSREQx. В третьем такте арбитр подтверждает захват шины сигналом HGRANTx. На четвертом такте арбитр выставляет сигнал HMASTER с номером главного устройства, захватившего шину.

3.6.2 Системный интерфейс AMBA ASB AMBA ASB (Advanced System Bus) является системным интерфейсом и предназначен для использования в высокопроизводительных 16- и 32разрядных микроконтроллерах. Интерфейс позволяет связать процессор, встроенную и внешнюю память. В AMBA ASB заложена тестовая инфраструктура. AMBA ASB использовался в микроконтроллерах с процессорными ядрами ARM7TDMI, ARM 920 и ARM940. В настоящее время этот интерфейс используется сравнительно редко, вместо него обычно используют более производительный AMBA AHB.

В AMBA ASB поддерживается множество ведущих устройств и пакетная передача. Шина ASB является более простой, по сравнению с AMBA AHB.

Коренными отличиями является двусторонняя шина данных (в AHB для данных есть отдельные шины, предназначенные для записи и чтения), более узкая шина данных (32 разряда), не поддерживается раздельная (SPLIT) передача данных.

Рис. 74. Типичная система, построенная на базе AMBA ASB.

Система с шиной AMBA ASB (AHB) обычно содержит следующие компоненты:

ASB-ведущий (мастер). Мастер инициирует операции чтения и записи посредством подачи адреса и управляющих сигналов. Только один мастер в определенный момент времени может быть активным.

ASB-ведомый (слейв). Ведомый отвечает на операции чтения и записи в заданном адресном пространстве. Ведомый сигнализирует активному мастеру в случае успешного, ошибочного обмена данными или в случае ожидания.

ASB-дешифратор. Выполняет дешифровку адресов и выбирает соответствующего ведомого. Дешифратор также гарантирует, что шина остается в рабочем состоянии, когда никакого обмена не производится.

ASB-арбитр. Арбитр гарантирует, что только одному мастеру в данный момент времени позволяется инициировать обмен данными. И хотя протокол разрешения доступа к общей шине зафиксирован, любой алгоритм разрешения конфликтов может быть реализован в зависимости от требований области применения.

В шине возможны три основных состояния:

NONSEQUENTIAL (N-TRAN)– используется для одиночных передач или первой передачи данных в пакете.

SEQUENTIAL (S-TRAN) – используется при пакетной передаче данных.

ADDRESS-ONLY – используется, если нет необходимости в передаче Рис. 75. Одиночная (NONSEQUENTIAL) передача данных.

Рассмотрим основные сигналы шины:

BCLK – сигнал тактового генератора.

BD[31:0] – шина данных.

BA[31:0] – шина адреса.

BWRITE – сигнал запись/чтение.

BTRAN[1:0] – тип передачи (NONSEQUENTIAL, SEQUENTIAL, ADDRESS-ONLY).

BSIZE[1:0] – размер передаваемых данных.

DSELx – выбор устройства.

Рассмотрим взаимодействие нескольких главных устройств через арбитр шины:

Главное устройство выставляет сигнал AREQx, означающий запрос на Арбитр считывает запрос от главного устройства.

Если сигнал BLOCK пассивен, то арбитр разрешает захват шины главному устройству, выставляя сигнал AGNTx. В противном случае, если сигнал BLOCK активен, разрешение на захват шины не выдается.

Рис. 76. Арбитраж в мультимастерном режиме работы шины AMBA ASB.

Интерфейс подчиненного устройства на шине AMBA ASB имеет следующий вид:

Рис. 77. Интерфейс подчиненного устройства для AMBA ASB.

3.6.3 Периферийный интерфейс AMBA APB Интерфейс AMBA APB (Advanced Peripheral Bus) является частью иерархии интерфейсов AMBA и предназначен для объединения периферии, используемой в микроконтроллерах. Интерфейс AMBA APB используется практически во всех современных микроконтроллерах с ядром ARM.

Цель создания интерфейса – минимизация потребляемой мощности и упрощение архитектуры вычислительной системы.

Рис. 78. Типичный микроконтроллер с периферийными контроллерами, подключенными к шине AMBA Интерфейс AMBA APB инкапсулирован в одном подчиненном устройстве шин AMBA AHB или AMBA ASB. При использовании шины APB потребление энергии значительно меньше, чем при прямом подключении контроллеров к системной шине. Интерфейс APB имеет смысл использовать с такими устройствами, в которых не требуется высокая пропускная способность шины и пакетный режим работы. Примерами таких устройств могут быть:

контроллеры последовательного канала, таймеры, контроллеры I2C, SPI, ЦАП, АЦП, часов реального времени, сторожевого таймера и так далее.

Рис. 79. Фрагмент одной из шин APB в микроконтроллере NXP LPC 1768 на базе Cortеx-M3.

Единственным главным устройством (мастером) на шине APB является мост. Все остальные устройства (контроллеры) являются подчиненными устройствами.

Интерфейс AMBA APB может находиться в одном из трх состояний:

IDLE – устройство не готово, шина находится в исходном состоянии.

SETUP – запущен процесс инициализации устройства.

ENABLE – устройство готово к обмену.

Если требуется что-то передать по шине, мы должны выбрать устройство, с которым мы будем общаться, с помощью сигнала PSELx. После получения сигнала устройство производит инициализацию и выставляет на шину сигнал PENABLE.

Циклы чтения и записи имеют вид, показанный на рисунке ниже.

Для взаимодействия с шинами AMBA AHB или AMBA ASB используется мост (APB bridge).

Рис. 83. Мост между периферийной шиной AMBA APB и шинами AMBA ASB или AMBA AHB.

Интерфейс для подключения подчиненных устройств к шине AMBA APB очень прост и имеет следующий вид:

Рис. 84. Интерфейс подчиненного устройства в шине AMBA APB 3.7 Системные интерфейсы 3.7.1 Интерфейс PCI PCI (Peripheral Component Interconnect) – мультплексированный, параллельный (разрядность 32 или 64 бита) системный интерфейс. Первая спецификация на этот интерфейс появилась в 1992 году. Первоначально интерфейс использовался в персональных компьютерах, работающих под управлением операционных 3.7.1.1 PCI-2. Спецификация PCI 2.0 (Peripheral Component Interconnect Local Bus Revision 2.0) определяет процессорно-независимую шину, предусматривающую подключение до шести устройств, в том числе контроллера шины PCI и дополнительного контроллера шины расширения ISA, EISA или МСА. Тактовая частота шины РСI достигает 33 МГц, причем обмен по ней может осуществляться 32- или 64-разрядными словами.

Рис. 85. Блок схема вычислительной системы на базе PCI.

Предусматривается одновременная поддержка нескольких главных устройств локальной шины, что важно для будущих мультимедиа- и других систем, обрабатывающих большие объемы графики, видео и данных других типов. Шина РСI поддерживает блочный обмен последовательными данными при выполнении операций чтения и записи данных в память.

В архитектуре РСI предусмотрен мост, развязывающий процессор и шину расширения при сохранении 32-разрядного тракта обмена данными с периферийными устройствами. Контроллер шины позволяет организовывать очередь операций записи и чтения.

Предусматривается возможность использования одной и той же системной платы для ЦП разных поколений, что, однако, требует более сложных схем управления контроллером шины РСI.

С целью сокращения числа выводов периферийных интегральных схем и снижения стоимости компонентов используется мультиплексирование сигналов.

Средняя номинальная скорость передачи данных по шине составляет МБ/с, а пиковая – 132 МБ/с для 32-разрядного тракта передачи данных и МБ/с – для 64-разрядного тракта.

Шина РСI поддерживает интерфейсы различных типов: МСА, ISA и EISA.

Некоторые платы РСI могут использоваться в системах на различных платформах.

В спецификации PCI 2.0 предусмотрены разные соединители для нормального (5 В) и пониженного (3,3 В) напряжения питания. Существуют соответственно 5- и 3,3-вольтовые платы, а также универсальные платы, которые могут устанавливаться в соединители обоих типов.

Имеются два дополнительных контакта PRSNT1# (В9) и PRSNT2# (В11).

Они используются для индикации установки платы в гнездо и указывают величину необходимой для ее питания мощности. Благодаря отмеченным особенностям шина РСI может стать оптимальным выбором для компьютеров будущего. Ее внедрение обеспечит высокую производительность и хорошую совместимость.

Основой управления всеми передачами данных на PCI служат три сигнала:

FRAME# ведтся задатчиком для отображения конца запроса.

IRDY# ведтся задатчиком, позволяя вызывать циклы ожидания.

TRDY# ведтся исполнителем, позволяя ему вызывать циклы ожидания.

Интерфейс не занят, если запрещены и FRAME# и IRDY#. Первый фронт синхроимпульса на котором разрешается FRAME# это адресная фаза, и адресные и шинные коды команд передаются на этом фронте СИ. Следующий фронт СИ начинает первую из одной или нескольких фаз данных, в течение которой данные передаются между задатчиком и исполнителем по каждому фронту СИ и для этого разрешаются оба сигнала IRDY# и TRDY#. Состояния ожидания могут быть вставлены в фазу данных либо задатчиком либо исполнителем с помощью соответственно сигналов IRDY# и TRDY#.

Источнику данных необходимо разрешить свой RDY# сигнал без всяких условий, когда данные достоверны. Примник же может разрешить его, если ему нужно.

Как только задатчик разрешил IRDY#, он не может изменить IRDY# или FRAME# до тех пор, пока не завершится текущая фаза данных независимо от состояния TRDY#. Как только исполнитель разрешил TRDY# или STOP#, он уже не может изменить DEVSEL#, TRDY# или STOP# пока не завершится текущая фаза данных. Общий смысл в том, что ни задатчик, ни исполнитель не могут изменить свои действия, включившись в передачу данных.

В тот момент, когда задатчик собирается завершить передачу данных, запрещается FRAME# и разрешается IRDY#, указывая на то, что задатчик готов. После того, как испонитель укажет на последнюю передачу данных (TRDY# разрешн), интерфейс возвращается в состояние холостого хода с запрещнными сигналами FRAME# и IRDY#.

Для облегчения процессов инициализации и конфигурации устройств на шине PCI, спецификация PCI поддерживает режим автоконфигурации, называемый режимом Plug and Play. Это существенно упрощает работу по подключению к компьютеру новых устройств.

Для осуществления режима конфигурации на шине PCI используются следующие аппаратно-программные средства.

В адресном пространстве, которое поддерживается шиной, выделяется специальное поле (пространство) конфигурации объемом 256 байт. Для выбора устройств в этом пространстве при операциях конфигурации на шине выделяются специальные линии IDSEL (Initialization Device Select). Эти линии индивидуальные для каждого устройства. В операциях на шине предусмотрены две специальные команды чтения и записи конфигурации.

Спецификация не определяет универсальный механизм начала процесса конфигурации. Но для PC-AT совместимых компьютеров такой механизм специфицирован.

Шина PCI имеет две команды конфигурации: чтения и записи из адресного пространства конфигурации, емкость которого 256 байт. Команды конфигурации, подобно другим командам чтения и записи, разрешают доступ к байту, слову, двойному слову (32 р.) и пакетной передаче. Правила транзакций такие же как в других командах, включая все условия завершения транзакций.

Особенностями команд конфигурации являются следующие.

Доступ в область адресов конфигурации устройства на шине производится с помощью специальных, индивидуальных для каждого устройства, линий типа точка-точка, идущих от главного моста к каждому устройству отдельно. По этим линиям передается специальный сигнал выбора устройства IDSEL.

Каждое устройство имеет свой вход IDSEL, который работает подобно классическому входу "выбор кристалла" (chip select). Устройство PCI становится исполнителем команды конфигурации только тогда, когда его сигнал IDSEL установлен, и два младших разряда адреса AD[1::0] содержат код 00 в течении фазы адреса команды конфигурации.

Активное значение сигнала IDSEL имеет высокий уровень, т.е.

соответствует 1.

Адресация внутри пространства конфигурации устройства, содержащего 64 регистра по 32 разряда каждый, осуществляется разрядами [7::2] шины AD[7::2] и разрядами выбора байта C/B[3::0].

В командах конфигурации используется только 11 младших разряда на шине AD[10::0], а разряд AD[31::11] не используется (являются резервными).

Спецификацией не определено как формируется сигнал IDSEL главным мостом шины PCI. Однако применяется способ задания линий IDSEL путем использования старших линий шины AD[31::11]. Это позволяет иметь такую линию. В этом случае, одна из линий AD[31::11] соединяется со входом IDSEL устройства через большое сопротивление. Это снижает нагрузку на линию при выполнении других операций на шине, но приводит к затягиванию фронта установки сигнала IDSEL в активное состояние. В связи с этим необходима предустановка адреса в фазе адреса транзакции конфигурации. Адрес может быть предустановлен за несколько импульсов до FRAME# (число импульсов для предустановки определяется из постоянной времени входной цепочки сигнала IDSEL).

Система, реализующая процедуру автоконфигурации, должна обеспечивать механизм разрешения цикла конфигурации на шине PCI, который генерируется программно. Этот механизм реализуется главным мостом. Для PC-AT совместимых систем этот механизм специфицирован и рассматривается ниже.

Для систем другой архитектуры он не специфицирован.

Основной механизм шинных передач на PCI это "пакет". Пакет состоит из адресной фазы и одной или более фазы данных. PCI поддерживает пакеты и в пространстве памяти и в пространстве ввода/вывода. Хост-мост (который держит связь между хост-процессором и PCI) может объединять (или собирать) доступ к памяти на запись в единый запрос без посторонних эффектов.

Устройство подтверждает, что их нет (позволяет предупреждать чтение данных и объединять записи данных в любом порядке) путм установки бита выборки в базовом адресном регистре. Мост может различать, где позволено объединение данных, а где нет путм адресного диапазона, который может быть предоставлен софтом конфигурации в процессе инициализации. Объединение данных в такой буфер должно остановиться (а буфер очищен), когда происходит последовательная запись, которая не подпадает под выборку или чтение (в любом диапазоне).

Так как доступы к ресурсу на в/в не могут быть скомбинированы, они обычно имеют только одиночную фазу данных. Вообще, ни один процессор или задатчик на шине не генерирует пакеты в пространстве в/в. Все доступы в/в должны появляться на PCI, как только ЦП их сгенерировал. Почти все сигналы выровнены по фронту синхроимпульса.

Начало и продолжение транзакции Транзакцию начинает задатчик, предварительно получив разрешение на работу на шине. Это разрешение задатчик получает от арбитра, послав ему сигнал запроса REQ# и получив разрешение GRN# от него.

После этого задатчик начинает транзакцию с адресной фазы путем установки по 1-ому импульсу транзакции сигналов FRAME#, адреса AD[31::0] и команды C/BE[3::0]#. Эти сигналы становятся достоверными ко 2ому импульсу транзакции. На первом импульсе начинается адресная фаза.

Рассмотрим сигналы транзакции чтения.

По второму импульсу, в соответствии с установленным адресом определяется исполнитель и соответствующая команда. При операции чтения по этому импульсу задатчик выставляет сигнал IRDY#, который говорит исполнителю, что задатчик готов принять данные. Исполнитель ко 2-ому импульсу организует Т-цикл для сигналов AD[31::0].

По 2-ому импульсу он может установить, если успеет, сигнал DEVSEL#, сообщающий задатчику, что исполнитель найден и имеет право проводить транзакцию, если не успевает из-за Т-цикла на шине АD, то установка DEVSEL# происходит на 3-м импульсе. На 2-м импульсе исполнитель устанавливает сигналы указателя байт при передаче данных C/BE[3::0]#.

После 2-го импульса задатчик не управляет линиями AD[31::0] и C/BE[3::0]#, ими управляет исполнитель. На 2-ом импульсе заканчивается фаза адреса и начинается фаза данных.

На 3-ем импульсе исполнитель определяет, что задатчик готов (по сигналу IRDY#) к приему данных, и выставляет первые данные на AD[31::0] и устанавливает сигнал TRDY#, который сообщает задатчику, что на линиях AD[31::0] имеются первые достоверные данные. На этом такте может устанавливаться сигнал DEVSEL#, если исполнитель не успел его установить на втором импульсе.

Сигнал DEVSEL# должен устанавливаться после декодирования адреса и перед или вместе с сигналами IRDY#, STOP# и данных. Исполнитель не должен сбрасывать DEVSEL#, пока не закончится последняя фаза данных. Так как на 3м импульсе фазы данных передачи данных от исполнителя к задатчику не произошло, то этот такт называется тактом ожидания.

Только на 4-м импульсе задатчик определяет (по сигналу TRDY#), что на шине AD[31::0] находятся достоверные данные и считывает их, завершая первую фазу данных. На 4-м импульсе начинается вторая фаза данных и т.д.

Фазы данных могут занимать один такт, если нет тактов ожидания, или несколько тактов, если есть такты ожидания. Такты ожидания могут формироваться либо задатчиком (сбросом IRDY#), либо исполнителем (сбросом TRDY#).

Задатчик или исполнитель могут менять значения данных на шине AD только при активных значениях сигналов IRDY# и TRDY# соответственно.

Если эти сигналы сброшены, то на шине AD удерживаются старые значения данных.

При операции записи, значения сигналов на шине C/BE# меняется на каждой фазе данных. При чтении значения C/BE# не меняется в течение всех фаз данных транзакции.

Окончание транзакции На последней фазе данных обязательно сбрасывается FRAME# и устанавливается IRDY#. FRAME# может быть сброшен только тогда, когда IRDY# установлен. После тог как исполнитель на последней фазе данных установит TRDY#, может быть проведена последняя передача от исполнителя к задатчику, и транзакция закончится сбросом на последнем импульсе транзакции сигнала IRDY#. Так как сброшены сигналы FRAME# и IRDY#, то следующий такт будет тактом холостого хода (IDLE циклом).

По последнему импульсу транзакции также сбрасываются сигналы TRDY# и DEVSEL#.

Операция записи. Транзакция записи выполняется точно также, за исключением того, что в ней отсутствует Т-цикл на 3-м импульсе для сигналов AD[31::0]. Поэтому на 3-м импульсе отсутствует такт очищения, и исполнитель на 3-м импульсе считывает первые данные, выставленные задатчиком. При транзакции записи шинами AD и C/BE управляет задатчик.

Сигнал STOP# используется для завершения транзакции по инициативе исполнителя.

Способы завершения транзакций Транзакция может быть завершена либо задатчиком, либо исполнителем.

Пока ни тот ни другой не инициализируют останов, транзакция продолжается.

1-й способ завершения транзакции задатчиком заключается в следующем.

Задатчик инициализирует завершение транзакции, когда сигнал FRAME# сброшен, а IRDY# установлен. Это указывает исполнителю, что наступает последняя фаза данных. Последняя передача данных происходит, когда установлены и IRDY#, и TRDY#. Транзакция завершается, когда и FRAME#, и IRDY# сброшены (состояние холостого хода шины).

Задатчик может прекращать транзакцию этим способом по двум причинам:

Когда задатчик заканчивает начатую им транзакцию.

Когда линия разрешения захвата шины задатчиком GRN сброшена и наступил момент Тайм-аут, когда исчерпано время, задаваемое Таймером задержки.

Модифицированная версия этого способа завершения транзакции задатчиком используется тогда, когда исполнитель не отвечает на его адресацию сигналом DEVSEL#.

2-й способ завершения транзакции исполнителем заключается в следующем. В этом случае используется сигнал STOP#. Исполнитель выдает сигнал STOP#, чтобы запросить завершение транзакции от задатчика.

После установки, STOP# сохраняет активное значение до момента сброса FRAME#. Взаимосвязь между IRDY# и TRDY# не зависит от взаимодействия между STOP# и FRAME#. Поэтому данные могут быть переданы или не переданы до конца в текущей транзакции. Это зависит единственно от состояния IRDY# и TRDY#. Однако, когда STOP# установлен, а TRDY# сброшен, это указывает на невозможность дальнейшей передачи данных исполнителя. В этом случае, задатчик не ждет последней передачи данных, а немедленно завершает транзакцию.

Арбитраж Каждый задатчик на шине PCI получает доступ к шине только после разрешения на захват шины от Арбитра. Для этого используется специальные, индивидуальные для каждого задатчика линии (типа точка-точка) запроса REQ# к арбитру и разрешения GNT# к задатчику от арбитра.

Для доступа к шине, задатчик выдает арбитру сигнал запроса REQ# и может захватить шину только после получения от арбитра сигнала разрешения GNT#.

Процесс арбитража не требует дополнительных циклов шины, так как он совмещается с выполнением других операций, кроме случая, когда шина не занята и находится в состоянии холостого хода (IDLE цикл).

Захват шины задатчиком и выполнение транзакции идет в такой последовательности. Задатчик выдает запрос REQ#, через время задержки арбитража арбитр выдает задатчику сигнал разрешения GNT#, через время задержки ожидания захвата шины задатчик начинает транзакцию, выставив сигнал FRAME#. Идет передача одной или нескольких транзакций, в конце последней транзакции производится сброс сигнала REQ#, затем GNT#.

Такой процесс происходит тогда, когда нет запросов шины от задатчиков с большим приоритетом.

Если во время работы текущего задатчика появляется запрос от объекта с большим приоритетом, то либо идет прерывание транзакции, либо она выполняется до конца, а затем шина переходит к задатчику с большим приоритетом.

Рассмотрим процессы установки и сброса сигналов REQ# и GNT# в различных ситуациях.

синхронизации шины (CLK).

Задатчик может сбросить сигнал REQ# на любом импульсе CLK, сброс этого сигнала арбитр интерпретирует как то, что задатчику больше шина не требуется и можно сбросить его сигнал разрешения Если задатчику требуется выполнение только одной транзакции, то он сбрасывает REQ# на первом импульсе CLK, начинающем транзакцию, одновременно с установкой сигнал FRAME# этой транзакции.

Если задатчику требуется передаче нескольких транзакций, то он должен удерживать свой REQ# до последней транзакции, так как арбитр дает разрешение только на одну транзакцию.

Когда транзакция заканчивается по инициативе исполнителя установкой сигнала STOP#, задатчик должен сбросить свой REQ# минимум за два импульса CLK. Если задатчик намеревается продолжить прерванную исполнителем транзакцию, он должен переустановить свой сигнал REQ#.

Таким образом, в одно и то же время могут быть установлены REQ# от нескольких задатчиков.

В ответ на запрос арбитр выдает сигнал разрешения GNT#. При нескольких запросах REQ# арбитр выдает сигнал разрешения GNT# задатчику, имеющему в данный момент времени наивысший приоритет.

На шине в любой момент времени может быть установлен только один сигнал GNT#, так как шиной в каждый момент времени управляет только один задатчик.

Арбитр выдает сигнал разрешения GNT# в ответ на запрос REQ# с некоторой задержкой арбитража. Эта задержка измеряется от момента установки REQ# (т.е. от первого импульса CLK, которому соответствует стабильное значение REQ#) до момента получения стабильного значения сигнала GNT# задатчиком (т.е. до первого импульса CLK, которому соответствует стабильное значение GNT#). Это время измеряется в числе импульсов CLK.

Время задержки арбитража зависит от алгоритма арбитража, уровня приоритета устройства. Минимальная задержка арбитража получается в случае, когда шина находится в состоянии холостого хода (IDLE).

Типовая задержка арбитража для задатчика с наивысшим приоритетом, при наличие на шине текущего задатчика, равна двум импульсам CLK.

Если текущего задатчика нет, то задержка равна одному импульсу.

Для устройств с более низким приоритетом может требоваться большая задержка арбитража в зависимости от числа задействованных устройств с более высоким уровнем приоритетов.

Арбитр может сбросить сигнал GNT# задатчика на любом импульсе CLK для обслуживания объекта с большим приоритетом.

Сброс сигнала GNT# может производиться либо в ответ на сброс своего сигнала запроса REQ#, либо в случае, когда пришел запрос от задатчика с большим приоритетом.

Арбитр может сохранить установленный сигнал разрешения GNT# для данного задатчика и при сбросе этим задатчиком сигнала REQ#, если нет других требований на захват шины.

Если FRAME# сброшен, GNT# этого задатчика может быть снят в любой момент времени в порядке обслуживания задатчика с более высоким приоритетом или в ответ на сброс своего REQ#.

Арбитр может сбросить GNT# одного объекта в момент установки GNT# другого с более высоким приоритетом, если на шине нет состояния холостого хода. В противном случае, требуется задержка в один импульс между сбросом одного GNT# и установкой другого, чтобы исключить состязания на шине по сигналам AD и PAR.

Если шина находится в состоянии холостого хода (IDLE) и арбитр сбросил GNT#, то задатчик прекращает транзакцию и теряет доступ к шине, за исключением случая когда происходит одновременно (на одном и том же импульсе CLK) сброс GNT# и установка FRAME# объекта. В этом случае транзакция продолжается.

Если задатчик не использует шину после получения сигнала разрешения GNT# (его REQ# установлен) в течение 16 импульсов, то арбитр отключает его от шины.

Получив сигнал GNT#, задатчик не сразу захватывает шину, а через некоторое время, называемое задержкой ожидания захвата шины (задержкой захвата). Это время от получения GNT# задатчиком до установки стабильного значения сигнала FRAME#. Оно также измеряется количеством импульсов CLK.

Задержка захвата определяется тем, что задатчик, получив разрешение GNT#, может начать свою транзакцию только тогда, когда шина будет находиться в состоянии холостого хода (сброшены FRAME# и IRDI#). Поэтому этот задатчик ждет, пока текущий задатчик завершит транзакцию и шина перейдет в состояние холостого хода.

Текущий задатчик завершает транзакцию в следующих случаях:

1. Нормальное завершение в конце транзакции.

2. Завершение по прерыванию транзакции:

Прерывание от задатчика, когда появляется сигнал тайм-аут (время таймера задержки истекло) и сброшен его сигнал GNT#.

Прерывание от исполнителя, когда исполнитель выдает сигнал 3.7.1.2 PCI 2.1 - 3. Отличались от версии 2.0 возможностью одновременной работы нескольких шинных задатчиков (bus-master, так называемый «конкурентный режим»), а также появлением универсальных карт расширения, способных работать в слотах, использующих как с напряжением 5В, так и в слотах, использующих 3,3В (с частотой 33 и 66 МГц соответственно). Пиковая пропускная способность для 33 МГц – 133 МБ/с, а для 66 МГц – 266 МБ/с.

Версия 2.1 – работа с картами, рассчитанными на напряжение 3,3 вольта, наличие соответствующих линий питания являлась опциональной.

Версия 2.2 – сделанные в соответствии с этими стандартами карты расширения имеют универсальный ключ разъма по питанию и способны работать во многих более поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в слотах версии 2.1.

Версия 2.3 несовместима с картами PCI, рассчитанными на использование 5 вольт, несмотря на продолжающееся использование 32битных слотов с 5 вольтовым ключом. Карты расширения имеют универсальный разъм, но не способны работать в 5 вольтовых слотах ранних версий (до 2.1 включительно).

Версия 3.0 завершает переход на карты PCI 3,3 вольт, карты PCI ( вольт) больше не поддерживаются.

3.7.1.3 PCI Расширение базового стандарта PCI, появившееся в версии 2.1, удваивающее число линий данных, и, следовательно, пропускную способность.

Слот PCI64 является удлиннной версией обычного PCI-слота. Формально совместимость 32-битных карт с 64-битным слотами (при условии наличия общего поддерживаемого сигнального напряжения) полная, а совместимость 64-битной карты с 32-битным слотами является ограниченной (в любом случае произойдт потеря производительности). Работает на тактовой частоте 33 МГц.

Пиковая пропускная способность – 266 МБ/с.

Версия 1 использует слот PCI 64-бита и напряжение 5В.

Версия 2 использует слот PCI 64-бита и напряжение 3,3В.

3.7.1.4 PCI Версия PCI 66 является работающим на тактовой частоте 66 МГц развитием PCI 64; использует напряжение 3,3В в слоте; карты имеют универсальный, либо 3,3 В форм-фактор. Пиковая пропускная способность – 533 МБ/с.

3.7.1.5 PCI 64/ Комбинация PCI 64 и PCI 66, позволяет вчетверо увеличить скорость передачи данных по сравнению с базовым стандартом PCI; использует 64битные 3,3 вольтовые слоты, совместимые только с универсальными и 3, вольтовые 32-битные карты расширения. Карты стандарта PCI64/66 имеют либо универсальный (но имеющий ограниченную совместимость с 32-битными слотами) либо 3,3 вольтовый форм-фактор (последний вариант принципиально не совместим с 32-битными 33 МГц слотами популярных стандартов). Пиковая пропускная способность – 533 МБ/с.

3.7.1.6 PCI-X Развитие версии PCI 64. Для всех вариантов шины существуют следующие ограничения по количеству подключаемых к каждой шине устройств: 66 МГц – 4, 100 МГц – 2, 133 МГц – 1 (или 2, если одно или оба устройства не находятся на платах расширения, а уже интегрированы на одну плату вместе с контроллером), 266, 533 МГц и выше – 1.

В версии 1.0 введено две новые рабочие частоты: 100 и 133 МГц, а также механизм раздельных транзакций для улучшения производительности при одновременной работе нескольких устройств. Как правило, обратно совместима со всеми 3,3 В и универсальными PCI-картами. Карты обычно выполняются в 64-битном 3,3 В формате и имеют ограниченную обратную совместимость со слотами PCI64/66, а некоторые - в универсальном формате и способны работать (хотя практической ценности это почти не имеет) в обычном PCI 2.2/2.3.

Пиковая пропускная способность – 1024 МБ/с.

В версии 2.0 введено две новые рабочие частоты: 266 и 533 МГц, а также коррекция ошибок чтности при передаче данных (ECC). Расширяет конфигурационное пространство PCI до 4096 байт и допускает расщепление на 4 независимых 16-битных шины, что применяется исключительно во встраиваемых и промышленных системах, сигнальное напряжение снижено до 1,5 В, но сохранена обратная совместимость разъмов со всеми картами, использующими сигнальное напряжение 3,3В. Пиковая пропускная способность – 4096 МБ/с.

3.7.2 Интерфейс PCI Express PCI Express, или PCIe, или PCI-E – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

Горячая замена карт.

Гарантированная полоса пропускания (QoS).

Управление энергопотреблением.

Контроль целостности передаваемых данных.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать е вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X.

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32разрядной параллельной двунаправленной шине.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение x1.

На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), прим и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

Карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16).

Слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту x16 можно подвести линии передачи информации, соответствующие x1 или x8, и вс это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота x16).

В обоих случаях, на шине PCI Express будет использовать максимальное количество lane'ов доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express. Например, карта x4 физически не поместится в стандартный слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane. На некоторых материнских платах можно встретить нестандартные слоты x1 и x4, у которых отсутствует крайняя перегородка, таким образом, в них можно устанавливать карты большей длины, чем разъем. При этом не обеспечивается питание и заземление выступающей части карты, что может привести к различным проблемам.

PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных.

Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCI Express вполне сравнимы с таковыми для шины PCI (заметим, что шина PCI для передачи сигнала о запросе на прерывание использует отдельные физические линии IRQ#A, IRQ#B, IRQ#C, IRQ#D).

Во всех высокоскоростных последовательных протоколах (например, гигабитный Ethernet) информация о синхронизации должна быть встроена в передаваемый сигнал. На физическом уровне, PCI Express использует метод канального кодирования 8B/10B (8 бит в 10-и, избыточность 20%) для устранения постоянной составляющей в передаваемом сигнале и для встраивания информации о синхронизации в поток данных. В PCI Express 3. используется более экономное кодирование 128b/130b с избыточностью 1,5%.

Некоторые протоколы (например, SONET/SDH) используют метод, который называется скремблинг для встраивания информации о синхронизации в поток данных и для "размывания" спектра передаваемого сигнала.

Спецификация PCI Express также предусматривает функцию скремблинга, но скремблинг PCI Express отличается от такового для SONET.

3.8 Стандартные периферийные интерфейсы 3.8.1 Интерфейс SCSI SCSI – интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д. Раньше имел неофициальное название Shugart Computer Systems Interface в честь создателя Алана Ф. Шугарта.

Теоретически возможен выпуск устройства любого типа на шине SCSI.

После стандартизации в 1986 году SCSI начал широко применяться в компьютерах Apple Macintosh, Sun Microsystems. В компьютерах, совместимых с IBM PC, SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью и применяется преимущественно в серверах.

SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях. RAID-массивы на серверах часто строятся на жстких дисках со SCSI-интерфейсом (однако, в серверах нижнего ценового диапазона вс чаще применяются RAID-массивы на основе SATA). В настоящее время устройства на шине SAS постепенно вытесняют устаревшую шину SCSI.

Система команд SCSI на уровне программного обеспечения употребляется в единых стеках поддержки устройств хранения данных в ряде операционных систем, таких как Microsoft Windows.

Существует реализация системы команд SCSI поверх оборудования (контроллеров и кабелей) IDE/ATA/SATA, называемая ATAPI – ATA Packet Interface. Все используемые в компьютерной технике подключаемые по IDE/ATA/SATA приводы CD/DVD/Blu-Ray используют эту технологию.

Также система команд SCSI реализована поверх протокола USB, что является частью спецификации класса Mass Storage device. Это позволяет подключать через интерфейс USB любые хранилища данных (от флешнакопителей до внешних жстких дисков), не разрабатывая для них собственного протокола обмена, а вместо этого используя имеющийся в операционной системе драйвер SCSI.

Существует три стандарта SCSI:

1. SE (single-ended) – асимметричный SCSI, для передачи каждого сигнала используется отдельный проводник.

2. LVD (low-voltage-differential) – интерфейс дифференциальной шины низкого напряжения, сигналы положительной и отрицательной полярности идут по разным физическим проводам. На один сигнал приходится по одной витой паре проводников. Используемое напряжение при передаче сигналов +1,8 В.

3. HVD (high-voltage-differential) – интерфейс дифференциальной шины высокого напряжения, отличается от LVD повышенным напряжением и специальными приемопередатчиками.

Первый стандарт SCSI имеет 50-контактный неэкранированный разъем для внутрисистемных соединений и аналогичный экранированный разъем типа Centronics (Alternative 2) для внешних подключений. Передача сигналов осуществляется 50 контактным кабелем типа A-50 на 8-разрядной (битной) шине. Но надо иметь ввиду, что до появления SCSI, имевшего 50-контактный разъм, и даже одновременно с ним был более старый SCSI, имевший 25контактный разъм, почти такой, как разъм LPT (например, в теперь уже почти вышедшем из употребления сканере Mustek 1200 FS есть одновременно три разъма: OPTION на 26 контактов, SCSI на 25 контактов, SCSI на 50 контактов).

В стандарте SCSI-2 для 8-битной шины предусматривался кабель типа A, который, как и в SCSI-1, поддерживал 50-контактными разъемами типа D с уменьшенным шагом выводов (Alternative 1). Разъемы типа Centronics (Alternative 2) в SCSI-2 построены 8- и 16-битной шине. Передача информации осуществляется по 68-контактным кабелям типа A-68 и P-68(Wide). Для 32битной версии шины был предусмотрен тип кабеля B, который должен был параллельно подключаться одновременно с кабелем A в одно устройство.

Однако кабель B не получил широкого признания и из стандарта SCSI- исключен.

В стандарте SCSI-3 кабеля A-68 и P-68 поддерживались экранированными, либо неэкранированными разъемами типа D. Кабеля в SCSI-3 снабжены фиксаторами-защелками, а не проволочными кольцами, как разъемы Centronics.

Начиная с этой версии SCSI, в массивах накопителей используется 80контактный разъем, называемый Alternative 4. Накопители с таким разъемом поддерживают горячее подключение устройств, т.е. устройства SCSI можно подключать и отключать при включенном питании.

3.8.1.1 SCSI- Стандартизован ANSI в 1986 г. Использовалась восьмибитная шина с пропускной способностью в 1,5 МБ/с в асинхронном режиме и 5 МБ/с в синхронном режиме. Максимальная длина кабеля – до 6 метров.

3.8.1.2 SCSI- Этот стандарт был предложен в 1989 году и существовал в двух вариантах – Fast SCSI и Wide SCSI:

1. Fast SCSI характеризуется удвоенной пропускной способностью (до 2. Wide SCSI в дополнение к этому имеет удвоенную разрядность шины (16 бит), что позволяет достичь скорости передачи до 20 МБ/с.

При этом максимальная длина кабеля ограничивалась тремя метрами.

Также в этом стандарте была предусмотрена 32-битная версия Wide SCSI, которая позволяла использовать два шестнадцатибитных кабеля на одной шине, но эта версия не получила распространения.

3.8.1.3 SCSI- Этот стандарт также известен под названием Ultra SCSI, предложен в году. Пропускная способность шины составила 20 МБ/с для восьмибитной шины и 40 МБ/с для шестнадцатибитной. Максимальная длина кабеля так и осталась равной трм метрам. Устройства, отвечающие этому стандарту, известны своей чувствительностью к качеству элементов системы (кабель, терминаторы).

3.8.1.4 Ultra-2 SCSI Предложен в 1997 году. Использует LVDS. Максимальная длина кабеля – 12 метров, пропускная способность – до 80 МБ/с.

3.8.1.5 Ultra-3 SCSI Этот стандарт также известен под названием Ultra-160 SCSI, предложен в конце 1999 года. Имеет удвоенную пропускную способность (по сравнению с Ultra-2 SCSI), которая составила 160 МБ/с. Увеличения пропускной способности удалось достичь за счт одновременного использования фронтов и срезов импульсов.

В этот стандарт было добавлено использование CRC (Cyclic Redundancy Check), предупреждение ошибок.

3.8.1.6 Ultra-320 SCSI Этот стандарт также известен под названием Fast Ultra-320. Ultra320 LVD SCSI диск Fujitsu MAP3735NC из состава RAID-массива подключается при помощи разъма SCA-2. Развитие интерфейса Ultra-3 с удвоенной скоростью передачи данных (до 320 МБ/с).

3.8.1.7 Ultra-640 SCSI Этот стандарт предложен в начале 2003 года. Удвоенная пропускная способность (640 МБ/с). В связи с резким сокращением максимальной длины кабеля Ultra-640 SCSI неудобен для использования с более, чем двумя устройствами, поэтому не получил широкого распространения.

3.8.1.8 Команды SCSI В терминологии SCSI взаимодействие идт между инициатором и целевым устройством. Инициатор посылает команду целевому устройству, которое затем отправляет ответ инициатору.

Команды SCSI посылаются в виде блоков описания команды (Command Descriptor Block, CDB). Длина каждого блока может составлять 6, 10, 12 или байт. В последних версиях SCSI блок может иметь переменную длину. Блок состоит из однобайтового кода команды и параметров команды.

После получения команды целевое устройство возвращает значение 00h в случае успешного получения, 02h в случае ошибки или 08h в случае, если устройство занято. В случае, если устройство вернуло ошибку, инициатор обычно посылает команду запроса состояния. Устройство возвращает Key Code Qualifier (KCQ).

Все команды SCSI делятся на четыре категории: N (non-data), W (запись данных от инициатора целевым устройством), R (чтение данных) и B (двусторонний обмен данными). Всего существует порядка 60 различных команд SCSI, из которых наиболее часто используются:

Test unit ready – проверка готовности устройства, в т.ч. наличия диска в дисководе.

Inquiry – запрос основных характеристик устройства.

Send diagnostic – указание устройству провести самодиагностику и вернуть результат.

Request sense – возвращает код ошибки предыдущей команды.

Read capacity – возвращает мкость устройства.

Read (4 варианта) – чтение данных из устройства.

Write (4 варианта) – запись данных в устройство.

Write and verify – запись и проверка.

Mode select – установка параметров устройства.

Mode sense – возвращает текущие параметры устройства.

Каждое устройство на SCSI-шине имеет как минимум один номер логического устройства (LUN, Logical Unit Number). В некоторых более сложных случаях одно физическое устройство может представляться набором LUN.

Семейство стандартов SCSI включает в себя ряд стандартов уровня аппаратуры, стандарты SAM и SPC, описывающие главнейшие команды и структуры типа развернутой информации об ошибке, и специфичных для класса устройств стандартов.

Одним из последних является MMC (Multimedia Command Set), полностью описывающий систему команд приводов CD/DVD/Blu-Ray, в том числе их разновидностей с возможностью записи. Некоторые приводы, например, производства Asus и Pioneer, используют конкурирующий стандарт Mt. Fuji, отличающийся от MMC в некоторых нюансах.

3.8.2 Интерфейс SAS Serial Attached SCSI (SAS) – компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жсткие диски, накопители на оптическом диске и т.д. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями (Direct Attached Storage (DAS) devices). SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS совместим с интерфейсом SATA. Хотя SAS использует последовательный интерфейс в отличие от параллельного интерфейса, используемого традиционным SCSI, для управления SAS-устройствами попрежнему используются команды SCSI. Протокол SAS разработан и поддерживается комитетом T10. SAS поддерживает передачу информации со скоростью до 3 Гбит/с. Благодаря уменьшенному разъему SAS обеспечивает полное двухпортовое подключение как для 3,5-дюймовых, так и для 2,5дюймовых дисковых накопителей (раньше эта функция была доступна только для 3,5-дюймовых дисковых накопителей с интерфейсом Fibre Channel).

Типичная система с интерфейсом SAS состоит из следующих компонентов:

Инициаторы ( Initiators) – устройства, которые порождают запросы на обслуживание для целевых устройств и получают подтверждения по мере исполнения запросов. Чаще всего инициатор выполняется в виде Целевые устройства (Targets) содержат логические блоки и целевые порты, которые осуществляют прим запросов на обслуживание, исполняют их. После того, как закончена обработка запроса, инициатору запроса отсылается подтверждение выполнения запроса. Целевое устройство может быть как отдельным жстким диском, так и целым дисковым массивом.

Подсистема доставки данных (Service Delivery Subsystem) является частью системы ввода-вывода, которая осуществляет передачу данных между инициаторами и целевыми устройствами. Обычно подсистема доставки данных состоит из кабелей, которые соединяют инициатор и целевое устройство. Дополнительно, кроме кабелей в состав подсистемы доставки данных могут входить расширители SAS.

Расширители (Expanders) – устройства, входящие в состав подсистемы доставки данных и позволяют облегчить передачи данных между устройствами SAS. Например, расширитель позволяет подключить несколько целевых устройств SAS к одному порту инициатора.

Подключение через расширитель является абсолютно прозрачным для целевых устройств.

Спецификации на SAS регламентируют физический, канальный и логический уровни интерфейса.

3.8.3 Сравнение SAS и параллельного SCSI SAS использует последовательный протокол передачи данных между несколькими устройствами, и, таким образом, использует меньшее количество сигнальных линий.

Интерфейс SCSI использует общую шину. Таким образом, все устройства подключены к одной шине, и с контроллером одновременно может работать только одно устройство. Интерфейс SAS использует соединения точка-точка, каждое устройство соединено с контроллером выделенным каналом.

В отличие от SCSI, SAS не нуждается в терминации шины пользователем.

В SCSI имеется проблема, связанная с тем, что время распространения сигнала по разным линиям, составляющим параллельный интерфейс, может отличаться. Интерфейс SAS лишн этого недостатка.

SAS поддерживает большое количество устройств (> 16384), в то время как интерфейс SCSI поддерживает 8, 16, или 32 устройства на шине.

SAS обеспечивает более высокую пропускную способность (1,5, 3,0 или 6,0 Гбит/с). Такая пропускная способность может быть обеспечена на каждом соединении инициатор–целевое устройство, в то время как на шине SCSI пропускная способность шины разделена между всеми подключнными к ней устройствами.

SAS поддерживает подключение устройств с интерфейсом SATA.

SAS, также как и параллельный SCSI, использует команды SCSI для управления и обмена данными с целевыми устройствами.

3.8.4 Сравнение SAS и SATA SATA-устройства идентифицируются номером порта контроллера интерфейса SATA, в то время как устройства SAS идентифицируются их WWN-идентификаторами (World Wide Name). Для подключении SATAустройства к домену SAS используется специальный протокол STP (Serial ATA Tunneled Protocol), описывающий согласование идентификаторов SAS и SATA.

Устройства SATA 1 и SAS поддерживают тегированные очереди команд TCQ (Tagged Command Queuing). В то же время, устройства SATA версии 2 поддерживают как TCQ, так и Native Command Queuing (NCQ).

SATA использует набор команд ATA, который позволяет работать с жсткими дисками, в то время как SAS поддерживает более широкий набор устройств, в том числе жсткие диски, сканеры, принтеры и др.

(Накопители на оптическом диске, подключаемые через SATA, на самом деле являются целевыми устройствами SCSI, для доставки SCSI команд к которым используется SATA).

Аппаратура SAS поддерживает связь инициатора с целевыми устройствами по нескольким независимым линиям: в зависимости от реализации можно повысить отказоустойчивость системы и/или увеличить скорость передачи данных. Интерфейс SATA версии 1 такой возможности не имеет. В то же время, интерфейс SATA версии использует дубликаторы портов для повышения отказоустойчивости.

Преимущество SATA состоит в низком энергопотреблении и невысокой стоимости оборудования, а интерфейса SAS – в большей наджности.

3.9 Малые периферийные интерфейсы 3.9.1 Интерфейс RS- Интерфейс RS-232 – стандартный интерфейс, предназначенный для последовательной двоичной передачи данных между терминальным (DTE, Data Terminal Equipment) и связным (DCE, Data Communications Equipment) оборудованием [38, 37, 54, 7556, 89].

Ассоциация электронной промышленности (EIA) развивает стандарты по передаче данных. Стандарты EIA имеют префикс "RS". "RS" означает рекомендуемый стандарт, но сейчас стандарты просто обозначаются как "EIA" стандарты. RS-232 был введен в 1962, в 1969 была представлена третья редакция (RS-232C). Четвертая редакция была в 1987 (RS-232D, известная также под EIA-232D). RS-232 идентичен стандартам МККТТ (CCITT) V.24/V.28, X.20bis/X.21bis и ISO IS2110.

Рис. 88. Соединение двух удаленных терминалов при помощи модемов.

Чтобы не составить неправильного представления об интерфейсе RS-232, необходимо отчетливо понимать различие между этими видами оборудования.

Терминальное оборудование, например микрокомпьютер, может посылать и (или) принимать данные по последовательному интерфейсу. Оно как бы оканчивает (terminate) последовательную линию. Связное оборудование – устройства, которые могут упростить передачу данных совместно с терминальным оборудованием. Наглядным примером связного оборудования служит модем (модулятор–демодулятор). Он оказывается соединительным звеном в последовательной цепочке между компьютером и телефонной линией.

Рис. 89. Соединение двух терминалов при помощи null-modem кабеля.

Различие между терминальными и связными устройствами довольно расплывчато, поэтому возникают некоторые сложности в понимании того, к какому типу оборудования относится то или иное устройство. Рассмотрим ситуацию с принтером. К какому оборудованию его отнести? Как связать два компьютера, когда они оба действуют как терминальное оборудование.

Для ответа на эти вопросы следует рассмотреть физическое соединение устройств. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от обычных уровней цифрового сигнала (5В, 3,3В и т.п.), для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса. RS-232 используется для передачи данных на небольшое расстояние (единицы - десятки метров) с небольшой скоростью (обычно, не быстрее 115200 бит/с). Для формирования уровня сигнала используются микросхемы примопередатчиков, а для формирования и распознавания посылок – микросхемы UART.

Модуль универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter, USART) стал стандартом «де-факто» среди контроллеров последовательного обмена. В названии часто опускают слово «синхронный», и модуль не совсем корректно именуется UART (чисто асинхронные приемопередатчики сейчас встречаются достаточно редко). Характеристики последовательного порта UART не позволяют производить прим и передачу данных за пределы печатной платы.

Для связи с другими устройствами сигнал от UART необходимо пропустить через примопередатчик, работающий в одном из стандартов: RS-232, RS-485, RS-422.

Обычно модули UART в асинхронном режиме поддерживают протокол обмена для интерфейса RS-232 (8N1 или 9N1); в синхронном режиме – нестандартные синхронные протоколы, в некоторых случаях – протокол SPI.

Приемопередатчик – преобразователь уровня, как правило, в интегральном исполнении. Предназначен для преобразования электрических сигналов из уровня ТТЛ в уровень, соответствующий физическому уровню определенного стандарта.

Контроллер UART обычно содержит:

1. Источник тактирования (обычно с увеличенной частотой тактирования по сравнению со скоростью обмена, чтобы иметь возможность отслеживать состояние линии передачи данных в середине передачи 2. Входные и выходные сдвиговые регистры.

3. Регистры управления приемом/передачей данных, чтением/записью.

4. Буферы приема/передачи.

5. Параллельная шина данных для буферов приема/передачи.

6. FIFO-буферы памяти (опционально).

Ошибки UART:

1. Overrun Error (ошибка из-за повышенной скорости передачи, переполнение буфера приема).

Эта ошибка случается, когда приемник UART не успевает обрабатывать приходящие из канала символы, т. е. буфер переполняется.

2. Framing Error (ошибка кадрирования).

Эта ошибка случается, когда фиксируется некорректное состояние линии данных в момент передачи старт- или стоп-бита. Например, после передачи бит данных приемник ожидает перехода линии в стоп-состояние, но этого не происходит.

3. Break Condition (сигнал прерывания передачи, разрыва связи).

Этот сигнал информирует о том, что входная линия данных находилась в неизменном нулевом состоянии в течение времени, больше передачи одного символа. В буфере приема нулевой байт. Некоторые устройства используют такую последовательность, чтобы сообщить передатчику, например, о переходе на другую скорость обмена данными.

Существуют и другие ошибки, отслеживаемые контроллером UART.

3.9.1.1 Сигнальные линии последовательного интерфейса Произведя незначительные изменения в линиях интерфейса RS-232, можно заставить связное оборудование функционировать как терминальное. Чтобы разобраться в том, как это сделать, нужно проанализировать функции сигналов интерфейса RS-232C.

Таблица 3. Функции сигнальных линий интерфейса RS-232.

Номер контакта 1. Линии 11, 18, 25 обычно считают незаземленными. Приведенная в таблице спецификация относится к спецификациям Bell 113B и 208A.

2. Линии 9 и 10 используются для контроля отрицательного (MARK) и положительного (SPACE) уровней напряжения.

3. Во избежание путаницы между RD (Read – считывать) и RD (Received Data – принимаемые данные) будут использоваться обозначения RXD и Терминальное оборудование обычно оснащено разъемом со штырьками, а связное – разъемом с отверстиями (но могут быть и исключения).

Рис. 90. Стандартный последовательный порт RS-232C имеет форму 25-контактного разъема типа D Сигналы интерфейса RS-232C подразделяются на следующие классы:

Последовательные данные (например, TXD, RXD). Интерфейс RS-232C обеспечивает два независимых последовательных канала данных:

первичный (главный) и вторичный (вспомогательный). Оба канала могут работать в дуплексном режиме, т.е. одновременно осуществляют передачу и прием информации.

Управляющие сигналы квитирования (например, RTS, CTS). Сигналы квитирования – средство, с помощью которого обмен сигналами позволяет DTE начать диалог с DCE до фактической передачи или приема данных по последовательной линии связи.

Сигналы синхронизации (например, TC, RC). В синхронном режиме (в отличие от более распространенного асинхронного) между устройствами необходимо передавать сигналы синхронизации, которые упрощают синхронизм принимаемого сигнала в целях его На практике вспомогательный канал (вторичный) RS-232C применяется редко, и в асинхронном режиме вместо 25 линий используются 9 линий (таблица 2).

Таблица 4. Основные линии интерфейса RS-232C (EIA-574, DB9) Номер контакта Таблица 5. Основные линии интерфейса RS-232C (EIA-561, RJ-45) Номер контакта 3.9.1.2 Управление потоком Иногда устройство не может обработать принимаемые данные от компьютера или другого устройства. Устройство использует управление потоком для прекращения передачи данных. Могут использоваться аппаратное или программное управление потоком.

Аппаратное управление потоком Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS. Он использует дополнительно два провода в кабеле, а не передачу специальных символов по линиям данных. Поэтому аппаратное управление потоком не замедляет обмен в отличие от протокола Xon-Xoff. При необходимости послать данные компьютер устанавливает сигнал на линии RTS. Если приемник (модем) готов к приему данных, то он отвечает установкой сигнала на линии CTS, и компьютер начинает посылку данных. При неготовности устройства к приему сигнал CTS не устанавливается.

Программное управление потоком Программный протокол управления потоком Xon/Xoff использует два символа: Xon и Xoff. Код ASCII символа Xon – 17, а ASCII код Xoff – 19. Модем имеет маленький буфер, поэтому при его заполнении модем посылает символ Xoff компьютеру для прекращения посылки данных. При появлении возможности приема данных посылается символ Xon и компьютер продолжит пересылку данных. Этот тип управления имеет преимущество в том, что не требует дополнительных линий, так как символы передаются по линиям TXD/RXD. Но на медленных соединениях это может привести к значительному замедлению соединения, так как каждый символ требует 10 битов.

3.9.1.3 Разъемы и кабели Устройства для связи по последовательному каналу соединяются кабелями с 9-ю или 25-ю контактными разъмами типа D-sub. Обычно они обозначаются DE-9 (или некорректно: DB-9), DB-25, CANNON 9, CANNON 25.

Первоначально в RS-232 использовались DB-25, но, поскольку многие приложения использовали лишь часть предусмотренных стандартом контактов, стало возможно применять для этих целей 9-штырьковые разъмы DE-9 (Dsubminiature).

D-subminiature, или D-sub – название электрического разъма, применяемого, в частности, в компьютерной технике. Название «субминиатюрный» было уместно тогда, когда эти разъмы только появились, в наше же время эти разъмы относятся к числу наибольших по размерам из используемых в компьютерах.

Разъм D-sub содержит два или более параллельных рядов контактов или гнзд, обычно окружнных металлическим экраном в форме латинской D, который обеспечивает механическое крепление соединения и экранирует от электромагнитных помех. Форма разъма в виде буквы D предохраняет от неправильной ориентации разъма. Часть разъма, содержащая контакты, называется по-английски male connector, или plug (по-русски штекер, или вилка, хотя чаще в данном контексте используется жаргонный термин «папа»), а часть, содержащая гнзда — female connector, или socket (розетка или «мама»). Экран розетки плотно входит внутрь экрана вилки. Если используются экранированные кабели, экраны разъмов соединяются с экранами кабелей, обеспечивая, таким образом, непрерывное экранирование для всего соединения.

Разъмы D-sub были изобретены и введены в употребление фирмой ITT Cannon, подразделением ITT Corporation в 1952 году. В принятой этой фирмой системе обозначений буква D обозначает всю серию разъмов D-sub, а вторая буква используется для указания размера разъма, исходя из числа стандартных контактов, которые могут разместиться внутри D-образного экрана (A = контактов, B = 25, C = 37, D = 50, E = 9), после чего следует цифра, обозначающая фактическое число используемых контактов, и буква, обозначающая «пол» разъма (M – male, «папа», F – female, «мама», P – plug, штепсель или «папа», S – socket, розетка или «мама»).

Вероятно, потому, что в оригинальном PC как для параллельного, так и для последовательного портов использовались разъмы DB-25, многие, не понимая, что «B» в данном случае означает размер экрана, стали сам разъм D-sub называть DB, вместо того, чтобы использовать обозначения «DA», «DC» или «DE». Когда для последовательного порта стали использовать 9-штырьковые разъмы, их начали называть DB9 вместо DE9. Сейчас достаточно распространено, что разъмы DE9 продаются, как DB9. Под DB9 в современном мире почти всегда подразумевают 9-штырьковый разъм с размером экрана Е.

Рис. 92. Разъемы IDC: а - краевые, б - штырьковые, в - заделка проводов Разъемы IDC (Insulation-Displacement Connector – разъем, смещающий изоляцию) получили название от способа присоединения кабеля. Контакты этих разъемов со стороны, обращенной к кабелю, имеют ножи, подрезающие и смещающие изоляцию проводников кабеля. Эти разъемы предназначены в основном для ленточных кабелей-шлейфов, хотя в них возможна заделка и одиночных проводников. Для заделки кабелей в эти разъемы существуют специальные инструменты-прессы, но при необходимости можно обойтись плоской отверткой (и умелыми руками). Разъемы IDC существуют как ответные части для краевых печатных разъемов (рис. выше, а) и штырьковых контактов (рис. выше, б). Разъемы могут иметь ключи: для печатных разъемов это прорезь и соответствующая ей перемычка, расположенная ближе к первым контактам.