«САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Факультет информационных технологий и электроники Кафедра вычислительной и информационной техники В.А. Павлов Периферийные устройства ЭВМ. Часть 1. Состав и ...»

Учитывая потребности расширения частотного диапазона, а также тенденцию (или намерения) к использованию последовательных шин USB и FireWire для подключения периферии к системному блоку компьютера VESA предложила новый тип разъема EVC (Enhanced Video Connector). Кроме обычного аналогового интерфейса RGB и канала DDC2 разъем EVC имеет контакты для видеовхода, входные и выходные стерео-, аудиосигналы, шины USB и FireWire, a также линии питания постоянного тока для зарядки аккумуляторов портативных ПК. Разъем имеет две секции:

высокочастотную для присоединения четырех коаксиальных кабелей и низкочастотную на контактов (рис. 2.57). Контакты высокочастотной секции, хотя и не являются коаксиальными, позволяют передавать сигналы с частотами до 2 ГГц. Контактом экранов является крестообразная перегородка. При использовании 75-омных коаксиальных кабелей на частоте 500 МГц гарантируется уровень отражений и перекрестных помех не выше 2%. Контакты С1, С2 и С4 используются для передачи цветовых сигналов R, G и В соответственно, контакт С3 служит для передачи синхросигнала пикселов (Pixel Clock или DotClock). Назначение низкочастотной секции раскрывает табл. 2.32. Как видно из таблицы, разъем поделен на компактные зоны для каждой группы сигналов, правда, шины USB и 1394 используют общий контакт для экрана. Назначение контактов видеовхода (S-Video или композитный, PAL или NTSC) может программироваться по каналу DDC2.

Рис. 2.57. Разъем EVC (розетка) Стандарт определяет три уровня полноты реализации: базовый, мультимедийный и полный.

Базовый включает только видеосигналы и DDC, в мультимедийном дополнительно должны быть и аудиосигналы. При использовании коннектора в полном объеме монитор превращается в коммутационный центр, который соединяется с компьютером одним кабелем, а все остальные периферийные устройства (включая клавиатуру, мышь, принтер) подключаются уже к монитору. С помощью этого разъема предполагается произвести революцию (или наведение порядка) в подключении устройств к системному блоку компьютера. Он может использоваться и для подключения портативного ПК к док-станции. EVC собирает сигналы от разных подсистем — графической, видео, аудио, последовательных шин и питания. Этот общий разъем, устанавливаемый на корпусе системного блока, может соединяться с разными платами внутренними кабелями через промежуточные разъемы.

Таблица 2.32. Назначение контактов низкочастотной части EVC Все НГМД, применяемые в PC, независимо от типа и размера имеют одинаковый интерфейс и унифицированные 34-контактные разъемы двух типов: с печатными двусторонними ламелями у 5"устройств и двухрядными штырьковыми контактами у 3"-устройств. Используемый в PC кабельшлейф имеет перевернутый фрагмент из 7 проводов с номерами 10-16 (рис. 2.58). Этот поворот позволяет подключать к контроллеру одним шлейфом до двух НГМД, причем адрес накопителя определяется его положением на шлейфе: для привода А: фрагмент перевернут, для В: — нет.

Универсальный шлейф с пятью разъемами, изображенный на рис. 2.58, позволяет подключать пару любых дисководов, которые должны располагаться в разных зонах. Некоторые разъемы могут и отсутствовать, что сковывает свободу конфигурирования дисководов.

Состав сигналов интерфейса приведен в табл. 2.33, где показано, как эти сигналы приходят на разные накопители. Все сигналы интерфейса являются цифровыми (ТТЛ) с низким активным уровнем.

Рис. 2.58. Кабель интерфейса НГМД Таблица 2.33. Кабель интерфейса НГМД Нечетные контакты 1-33 — земля. Для 5" дисководов ключ между контактами 4-5 и 6-7.

* Пара сигналов, обеспечивающая выборку FDD (Motor On А и Drive Sel 0 для дисковода А: и Motor On В и Drive Sel 1 для дисковода В).

** Контакт 34 используется только в AT.

Интерфейс дисководов подразумевает наличие терминаторов на устройствах. Теоретически их предполагалось включать только на последнем дисководе в шлейфе, практически же их никогда и не отключают. Современные трехдюймовые накопители используют «распределенный терминатор».

Логически интерфейс довольно прост. Для перемещения головок на один шаг контроллер должен подать импульс Step, направление перемещения определяется уровнем сигнала Direction: при низком уровне (сигнал активен) перемещение происходит в сторону центра диска (номер трека увеличивается). Нулевой трек контроллер находит, перемещая головки от центра до появления сигнала Track 00. Выбор номера головки производится сигналом Side 1. Начало трека накопитель отмечает импульсом Index, который вырабатывается при прохождении индексного отверстия вращающейся дискеты мимо датчика. Считываемые данные в закодированном виде (но усиленные и сформированные в ТТЛ-сигнал) поступают от накопителя по линии Read Data. Для включения режима записи служит сигнал Write Gate, закодированные данные в цифровом виде поступают от контроллера по линии Write Data. Если установлена дискета, защищенная от записи, накопитель сообщит об этом сигналом Write Protect. Для снижения тока записи, которое требуется при работе накопителей HD с дискетами DD и QD, предназначен сигнал Reduce Write. Накопители HD при смене дискеты устанавливают сигнал Disk Changed, который сбрасывается после обращения к этому накопителю.

Контроллер НГМД и интерфейсный кабель, принятый в PC, позволяют адресоваться к одному из двух накопителей и включать мотор сигналами Drive Sel 0 и Motor On А для накопителя А: и сигналами Drive Sel 1 и Motor On В для накопителя В:. При этом на обоих накопителях джамперы устанавливаются так, что они отзываются на сигнал Drive Sel 1 (контакт 12 разъема). Обычно джамперы на дисководе обозначаются DS0/DS1/DS2/DS3, и следует установить джампер DS1. Если джамперы обозначаются как DS1/DS2/DS3/DS4, что встречается не часто, то следует установить DS2.

Принятая система выборки позволяет все дисководы конфигурировать однотипно, а адрес задавать положением на шлейфе.

Некоторые специфические клоны PC используют иную систему выборки накопителей и «прямой» кабель-шлейф. При этом используется выборка устройства сигналом DS0, но переключение выборки на эту линию некоторыми накопителями не поддерживается, в результате чего замена накопителей в этих «фирменных» машинах может стать хлопотным делом, особенно при отсутствии технической документации.

2.7.2.7. Интерфейсы НМД Для накопителей на жестких дисках используют интерфейсы ST-506/412, ESDI, ATA, SATA, SCSI. Накопители и контроллеры с интерфейсами ST-506/412 и ESDI практически сошли со сцены, поскольку эти устройства не выпускаются уже много лет, а ранее выпущенные уже выработали отпущенный им жизненный ресурс. По этой причине ограничимся лишь кратким их описанием, а подробнее рассмотрим устройства с современными интерфейсами ATA, SATA и SCSI. Возможно также подключение дисковых устройств и к параллельному порту, но через устройство, обеспечивающее один из вышеперечисленных интерфейсов. О дисках с интерфейсом USB говорить пока рано, они в настоящее время используются в основном только для накопителей на флэш-памяти, а интерфейс FireWire является родственником SCSI-3.

2.7.2.7.1. Интерфейс ST-506 (ST-412) и ESDI Первые накопители на жестких дисках имели интерфейс, напоминающий интерфейс НГМД. Это и понятно, поскольку НЖМД отличается только большим числом рабочих поверхностей (головок записи-считывания), более высокой скоростью вращения, а следовательно, и передачи данных, и несменяемостью носителя. Этот интерфейс по названию первых моделей контроллеров именуется STST-412). Поскольку первые контроллеры работали по схеме кодирования MFM, этот интерфейс называют также и «интерфейсом дисков MFM». Такое название не совсем корректно, поскольку, по сути, этот же интерфейс использовался и для накопителей, допускающих использование схемы кодирования RLL. Некоторые модели накопителей выпускались в версиях MFM и RLL и различались только качеством носителя — у схемы RLL требования выше.

Интерфейс использует два плоских кабеля (рис. 2.59). Магистральный 34-проводной кабель управления (табл. 2.34) позволяет подключать до двух накопителей, адрес накопителя определяется его положением на шлейфе. Все сигналы в данном кабеле имеют уровни ТТЛ, активный уровень — низкий. Система выборки напоминает применяемую в НГМД, но в кабеле перевернут фрагмент из проводов 25-29. Устройства должны отзываться на сигнал DS0, к накопителю С: должен подходить прямой кабель, к D: — с перевернутым фрагментом. Каждый накопитель с контроллером соединяется и 20-проводным кабелем данных, по которым передаются аналоговые сигналы усилителей головок записи-чтения (табл. 2.35). На накопителях применяются разъемы с печатными ламелями, на контроллере — со штырьковыми контактами.

Рис. 2.59. Кабели интерфейсов ST-506/412 и ESDI Таблица 2.34. Кабель управления ST-506/ Передача аналоговых сигналов записи-чтения по длинным интерфейсным кабелям не позволяет достигать высокой скорости передачи данных и, следовательно, высокой плотности хранения информации. В режиме MFM диски имеют 17 секторов на трек, в режиме RLL — 26. Поскольку низкоуровневые форматы различных моделей контроллеров могут не совпадать, нет гарантии того, что данные накопителя, отформатированного на контроллере одной модели, окажутся доступными для контроллера другой модели (даже если оба контроллера работают по одной схеме кодирования — MFM или RLL). Замена контроллера в большинстве случаев требует низкоуровневого форматирования дисков, причем для производительности критичен фактор чередования секторов, о котором говорилось выше.

Таблица 2.35. Кабель данных ST-506/ Интерфейс ESDI (Enhanced Small Device Interface — расширенный интерфейс малых устройств) появился как развитие ST-506. Здесь существенная часть узлов контроллера перенесена на дисковод для повышения производительности (XFER до 1 Мбайт/с) и плотности записи (до 32-80 SPT).

Накопители ESDI хранят описатели своих геометрических параметров и список дефектных блоков на самом диске, отсюда следует и установка «None» вместо типа диска в параметрах CMOSконфигурации. Непонятно, ради какой унификации (скорее — путаницы) интерфейс (табл. 2.36, 2.37) сделали конструктивно совпадающим с ST-506. Назначение сигналов этих интерфейсов различно, и, естественно, взаимной совместимости устройств с интерфейсами ESDI и ST-506 быть не может.

Таблица 2.36. Кабель управления ESDI Таблица 2.37. Кабель данных ESDI Конфигурирование устройств с интерфейсами ST-506/412 и ESDI сводится к заданию адреса и установке терминатора. Если на устройстве имеются джамперы, обозначенные как DS0/DS1, следует установить джампер DS0. Если они обозначены как DS1/DS2, следует установить джампер DS1.

Иногда используют управляющий кабель без перевернутого фрагмента, тогда в случае установки двух накопителей на устройстве С: устанавливают DS0, а на устройстве D: — DS1. Управляющий кабель должен иметь терминатор на последнем устройстве шлейфа. Терминаторы обычно представляют собой плоскую резисторную сборку со штырьковыми контактами, которая по умолчанию устанавливается в гнезда всех накопителей. При установке двух накопителей на среднем устройстве шлейфа терминатор рекомендуется снимать.

Устройства с интерфейсами ST-506/412, ESDI имеют внешний контроллер, который обычно представляет собой плату, устанавливаемую в слот системной шины ввода/вывода. Контроллеры жесткого диска HDC (Hard Disk Controller) для компьютеров XT и AT различны как по регистровым моделям, так и по занимаемым системным ресурсам.

2.7.2.7.2. Интерфейс АТА (IDE) Интерфейс АТА (AT Attachment for Disk Drives) разрабатывался в 1986-1990 гг. для подключения накопителей на жестких магнитных дисках к компьютерам IBM PC AT с шиной ISA. Стандарт, выработанный комитетом ХЗТ10, определяет набор регистров устройств и назначение сигналов 40контактного интерфейсного разъема. Интерфейс появился в результате переноса стандартного (для PC/AT) контроллера жесткого диска ближе к накопителю, то есть создания устройств со встроенным контроллером - IDE (Integrated Drive Electronics). Такие устройства имеют ряд преимуществ перед устройствами с отдельным контроллером:

· За счет минимального удаления контроллера от диска удается существенно повысить быстродействие, поскольку отпадает необходимость передавать высокочастотные сигналы записи и чтения по длинным интерфейсным проводам.

· Снимается проблема совместимости накопителей и контроллеров по физическим форматам записи. Обмен с устройствами IDE происходит информационными и управляющими байтами или словами, а не закодированными последовательностями импульсных сигналов.

· Появляется больший простор для внутренних усовершенствований устройств, направленных на повышение производительности, надежности, плотности хранения информации и другие цели.

Эти усовершенствования отрабатываются встроенным контроллером и могут им не выноситься на уровень внешнего интерфейса.

· Упрощается схемотехника адаптера подключения устройств к шине компьютера. Сигналы интерфейса представляют собой сокращенный набор буферизованных сигналов системной шины, а обязательная встроенная буферная память устройства позволяет не привязывать скорость обмена по внешнему интерфейсу к скорости обмена данными с собственно носителем информации. Таким образом, устройства IDE можно подключать через соответствующие адаптеры как к высокопроизводительной системной шине, так и к медленному интерфейсу стандартного параллельного порта. Конечно, производительность обмена будет существенно различной, но принципиальная возможность сопряжения есть.

Для подключения устройств IDE существует несколько разновидностей интерфейса:

· АТА (AT Attachment) IDE (16-бит), он же AT-BUS - интерфейс подключения к шине компьютера AT. В настоящее время это наиболее распространенный 40-проводной сигнальный и 4-проводной питающий интерфейс для подключения дисковых накопителей к компьютерам класса AT. Для миниатюрных (2,5" и меньших) накопителей используют 44-проводной кабель, по которому передается и питание.

· PC Card ATA — 16-битный интерфейс с 68-контактным разъемом PC Card (PCMCIA).

· XT IDE (8-бит), он же XT-BUS — 40-проводной интерфейс, похожий на ATA, но несовместимый · МСА IDE (16-бит) — 72-проводный интерфейс, предназначенный специально для шины и накопителей PS/2. Как и компьютеры PS/2, по крайней мере в нашей стране, устройства с этим интерфейсом встречаются редко.

В настоящее время в качестве официального названия интерфейса устройств IDE, ориентированного на подключение к шинам ISA и родственным им (не МСА), применяют аббревиатуру ATA (AT Attachment — средства подключения к компьютеру AT). Поясним значение родственных терминов.

САМ ATA (Common Access Method) — ANSI-стандарт, обеспечивающий совместимость устройств на уровне сигналов и команд. Согласно этому стандарту, кабель длиной до 46 см допускает подключение до двух устройств, имеющих стандартный набор регистров.

АТА-2 — расширенная спецификация ATA, включает 2 канала, 4 устройства, PIO Mode 3, multiword DMA mode 1, Block mode, объем диска до 8 Гбайт, поддержка LBA и CHS (параметры режимов обмена PIO (Programmed Input/Output) и DMA представлены в Таблицах 2.38 и 2. соответственно. Более подробно см. Главу 3. ).

Таблица 2.38. Параметры программных режимов передачи (PIO mode) PIO mode Минимальное Скорость передачи, Интерфейс * В пакете данных режима Ultra DMA/33 за каждый такт передаются два слова данных, один по фронту синхронизирующего сигнала, другой по спаду.

Fast АТА-2 разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Мбайт/с), PIO Mode 4.

ATA-3 — расширение, направленное на повышение надежности. Включает средства парольной защиты, улучшенного управления питанием, самотестирования с предупреждением приближения отказа — SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology).

Ultra DMA/33 — версия ATA/IDE со скоростью обмена по шине 33 Мбайт/с.

Устройства ATA IDE, E-IDE, АТА-2, Fast АТА-2, ATA-3 и Ultra DMA/33 электрически совместимы.

ATAPI (ATA Package Interface — пакетный интерфейс ATA) — программная спецификация для подключения к интерфейсу ATA накопителей CD-ROM, стримеров и других устройств, которым недостаточно системы команд ATA, явно ориентированной на дисковые устройства. Устройство ATAPI поддерживает минимальный набор команд ATA, а для его расширения используется 12байтный командный пакет, посылаемый хост-контроллером в регистр данных устройства. Структура командного пакета пришла от SCSI, что обеспечивает схожесть драйверов для одних и тех же устройств, имеющих интерфейсы SCSI и ATA. Интерфейс ATAPI может использоваться с любыми неинтеллектуальными адаптерами ATA. Сложные контроллеры интерфейса ATA, имеющие кэшпамять и собственный процессор, не ориентированные на интерфейс ATAPI, могут и не догадаться, что в регистр данных устройства кроме 512-байтных блоков данных можно записывать и 12-байтный командный блок.

ATASPI (ATA Software Programming Interface) — менеджер ввода/вывода для Windows, обеспечивает асинхронные операции обмена с HDD, CD-ROM и стримерами, использует 32-битный доступ и управление несколькими шинами.

E-IDE (Enhanced IDE) — расширенный интерфейс, реализуемый в адаптерах для шин PCI и VLB, позволяющий подключать до 4 устройств (к двум каналам), включая CD-ROM и стримеры (ATAPI).

Поддерживает PIO Mode 3, multiword DMA mode 1, объем диска до 8 Гбайт, LBA и CHS.

В настоящее время наиболее широко распространен и четко стандартизован интерфейс, официально называемый АТА-2. Интерфейс E-IDE, введенный фирмой Western Digital, с аппаратной точки зрения практически полностью соответствует спецификации АТА-2. Fast АТА-2 и АТА- представляют собой расширения спецификации АТА-2.

Электрический интерфейс Согласно спецификации АТА для подсоединения устройств используется 40-проводный ленточный кабель (плоский кабель-шлейф) (рис. 2.60).

Рис. 2.60. Интерфейсный кабель ATA Специальные терминаторы стандартом не предусматриваются (они имеются в каждом устройстве и хост-адаптере), но если кабель с тремя разъемами используют для подключения одного устройства, то и его и хост-адаптер рекомендуется подключать к противоположным концам кабеля.

Состав информационных сигналов интерфейса АТА приведен в табл. 2.40.

Таблица 2.40. Кабель интерфейса АТА IDE Тип сигнала для устройства: I — вход, О — выход, I/O — двунаправленный, TS — тристабильный, OK — открытый коллектор.

У старых устройств сигнал может иметь тип ОК (при разнотипных сигналах на одной шине возможен конфликт).

У устройства-0 — вход, у устройства-1 — выход.

У устройства-1 — только выход.

Контакты 41-44 используются для миниатюрных дисков.

В документации на устройства могут применяться и несколько отличающиеся обозначения сигналов. Здесь приводятся обозначения из стандарта АТА-2 с тем лишь отличием, что в обозначении инверсного действия сигнала применяется не символ «-», а символ «#».

Сигналы имеют следующее назначение:

RESETS (Device reset) — сброс устройства (инвертированный сигнал сброса системной шины).

Сигнал длительностью не менее 25 мкс вырабатывается после установления питающих напряжений.

DA[2:0] (Device Address) — три младших бита системной шины адреса, используемые для выбора регистров устройств.

DD[15:0] (Device Data) — двунаправленная 16-битная шина данных между адаптером и устройствами. При 8-битных обменах используются младшие биты D[7:0].

DIOR# (Device I/O Read) — строб чтения портов ввода/вывода. Данные фиксируются по положительному перепаду сигнала.

DIOW# (Device I/O Write) — строб записи портов ввода/вывода. Данные фиксируются по положительному перепаду сигнала.

IORDY (I/O channel ready) — готовность устройства завершить цикл обмена. Низким уровнем сигнала во время цикла обмена устройство может ввести такты ожидания шины. Использование сигнала требуется при обмене в PIO MODE 3 и выше.

IOCS16# — разрешение 16-битных операций. Обращение ко всем регистрам, кроме регистра данных, всегда 8-битное. Для PIO MODE 0, 1, 2 при активном сигнале обращения 16-битные, при неактивном — 8-битные. Для PIO MODE 3, 4 и DMA все обмены 16-битные, кроме дополнительных байт (выходящих за границу 512-байтного сектора) «длинного» считывания и записи).

DMARQ (DMA ReQuest) — запрос обмена по каналу DMA (сигнал необязательный). При разрешенном обмене по каналу DMA сигнал (высокий уровень) вводится устройством по готовности к обмену данными. Введя сигнал DMARQ, устройство должно дождаться подтверждения от хостадаптера сигналом DMACK#, после чего оно может снять запрос DMARQ. Для очередной передачи запрос должен быть введен снова. В режиме Multi-Word DMA запрос может удерживаться на время передачи всех данных. Выход должен быть тристабильным, в активном состоянии (лог. 0 или лог. 1) он может быть только у выбранного устройства во время работы с DMA. В АТА-1 для этого сигнала мог использоваться как тристабильный, так и стандартный ТТЛ-выход. Работа на одной шине устройств с разнотипными выходами DMARQ может привести к конфликтам (вот они — отзвуки нарушения принципа L-активности управляющих сигналов в PC).

DMACK# (DMA aCKnowledge) — подтверждение DMA. Сигнал вырабатывается хост-адаптером как подтверждение каждого цикла передачи. Передача слова данных управляется сигналами DIOR# или DIOW#. Во время обмена по каналу DMA сигналы IOCSl6#, CS0# и CSl# не используются, обмен всегда производится 16-битными словами.

INTRQ (Device interrupt) — запрос прерывания. Выход должен быть тристабильным, активный сигнал — лог. 1 вырабатывает только выбранное устройство, когда у него имеется необслуженный запрос прерывания и его вырабатывание не запрещено битом IEN# в регистре Device Control. Запрос сбрасывается по сигналу RESETS, установке бита SRST в регистре Device Control, записи в регистр команд или чтении регистра состояния. При обменах PIO запрос устанавливается в начале передачи каждого блока (сектора или группы секторов при многосекторных операциях). Исключения: по командам FORMAT TRACK, WRITE SEC-TOR(S), WRITE BUFFER и WRITE LONG в начале передачи первого блока данных запрос прерывания не вырабатывается. При обменах DMA запрос прерывания вырабатывается только по завершении операции.

CS0# (Chip Select 0) — сигнал выбора блока командных регистров (Command Block Registers).

Для первого канала он вырабатывается при наличии на системной шине адреса порта ввода/вывода в диапазоне 1F0h-lF7h (часто этот сигнал называется CSlFX#).

CSl# (Chip Select 1) — выбор блока управляющих регистров (Control Block Registers). Для первого канала он вырабатывается при наличии на системной шине адреса порта ввода/вывода в диапазоне 3F6h-3F7h (часто этот сигнал называется CS3FX#).

PDIAG# (Passed diagnostics) — сигнал о прохождении диагностики. Устройство-0 наблюдает за этим сигналом, который устройство-1 должно выработать в ответ на сброс или команду диагностики.

Если устройство-1 обнаружено (по сигналу DASP#), устройство-0 ожидает сигнал в течение 31 с после сброса и 6 с после команды диагностики. Если за это время сигнал не появился, устройство-0 отмечает этот факт установкой бита 7 регистра ошибок. Если устройство-1 не обнаружено, то устройство- обнуляет регистр состояния устройства-1 и сообщает свое состояние сразу после завершения собственной самодиагностики. Сигнал служит только для связи двух устройств, и хост-адаптером не используется.

DASP# (Device Active, Slave Present) — сигнал двойного назначения: индикатор активности устройства и присутствия устройства-1 (Slave). Устройства имеют выход типа «открытый коллектор»

с нагрузочным резистором 10 кОм к шине +5 В. После сброса по сигналу RESET# или при инициализации по включении питания оба устройства в течение 1 мс должны деактивировать этот сигнал, после чего не позже, чем через 400 мс, его вводит устройство-1 для сообщения о своем присутствии. Устройство-0 не активирует этот сигнал в течение 450 мс, позволяя устройству- сообщить о своем присутствии. Сигнал деактивируется устройством-1 после получения им команды или через 31 с автоматически (смотря что произойдет раньше). После этого сигнал может быть введен любым устройством как индикатор активности. Адаптер использует этот сигнал для включения светодиодного индикатора доступа к диску.

SPSYNC/CSEL (Spindle Synchronization/Cable Select) — синхронизация шпинделя/ выборка кабелем. Сигнал двойного использования, оба устройства на шине могут использовать только одно назначение. Сигнал SPSYNC позволяет синхронизировать шпиндели устройств (актуально для RAIDмассивов), используется по усмотрению производителя накопителя. Сигнал CSEL позволяет устройствам определять свой адрес по положению на кабеле: эта линия на хост-адаптере заземлена, и в специальном кабеле устройство-0 (Master) получает заземленную линию, устройство-1 (Slave) — не подключенную. Состояние сигнала (если он управляется хост-адаптером) должно удерживаться по крайней мере 31 с после сигнала RESETS. Специальный кабель (с разрывом провода 28 между разъемами двух устройств) широкого распространения не получил.

2.7.2.8. Шина SCSI SCSI (Small Computer System Interface, произносится «скази») — интерфейс системного уровня, стандартизованный ANSI. В отличие от интерфейсов портов, представляет собой шину, в которой сигнальные выводы множества устройств-абонентов соединяются друг с другом «один в один». В отличие от «жестких» шин расширения, SCSI-шина реализуется в виде кабельного шлейфа, который допускает соединение до 8 устройств внутреннего и внешнего исполнения. Одно из них — хостадаптер (Host Adapter) связывает шину SCSI с системной шиной компьютера, семь других свободны для периферии. К шине могут подключаться дисковые внутренние и внешние накопители (винчестеры, сменные винчестеры, CD-ROM, магнитооптические диски и др.), стримеры, сканеры и другое оборудование, применяемое не только для IBM PC.

Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификатор SCSI ID, который передается позиционным кодом по 8-битной шине данных (отсюда и ограничение на количество устройств на шине). Устройство (ID) может иметь до 8 подустройств со своими LUN (Logical Unit Number — логический номер устройства). Любое устройство может инициировать обмен с другим нулевым устройством (Target). Режим обмена по SCSI-шине может быть асинхронным или более производительным — синхронным с согласованием скорости (Synchronous Negotiation), передача данных контролируются по паритету.

Спецификация SCSI-1 строго определяет физические и электрические параметры интерфейса и минимум команд. Частота шины — 5 МГц.

Спецификация SCSI-2 определяет 18 базовых SCSI-команд (Common Command Set, CCS), обязательных для всех периферийных устройств, и дополнительные команды для CD-ROM и другой периферии. Устройства поддерживают очереди — могут принимать цепочки до 256 команд и выполнять их в предварительно оптимизированном порядке автономно. Устройства на одной SCSIшине могут обмениваться данными без участия CPU.

Дополнительные расширения SCSI-2:

· Fast SCSI-2 — удвоение скорости синхронной передачи (частота шины 10 МГц).

· Wide SCSI-2 — 16-битные (реже 32-битные) расширения SCSI-2.

· Ultra SCSI — сверхскоростной интерфейс (частота шины 20 МГц).

Максимальная пропускная способность зависит от частоты и разрядности шины и для комбинаций указанных расширений приведена в табл. 2.41.

Таблица 2.41. Скорость передачи данных, длина и типы кабелей SCSI кабеля SCSI-3 — дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств, спецификацию дополнительных команд, поддержку Plug and Play. В качестве альтернативы параллельному интерфейсу SPI (SCSI-3 Parallel Interface) появляется возможность применения последовательного, в том числе и волоконно-оптического интерфейса со скоростью передачи данных 100 Мбайт/с. SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные стороны интерфейса, и во многом смыкается с последовательной шиной FireWire, описанной ниже. Однако отождествлять эти два названия некорректно.

2.7.2.8.1. SCSI кабели, разъемы, терминаторы По типу сигналов различают линейные (Single Ended) и дифференциальные (Differential) версии SCSI, их кабели и разъемы идентичны, но электрической совместимости устройств между ними нет).

Дифференциальная версия для каждого сигнала использует витую пару проводников и специальные приемопередатчики, при этом становится допустимой большая суммарная длина кабеля, сохраняя высокую частоту обмена. Дифференциальный интерфейс применяется в мощных дисковых системах серверов, но в обычных PC не распространен. В широко используемой линейной версии каждый сигнал должен идти по своему одному проводнику, скрученному (или, по крайней мере, отделенному от другого в плоском шлейфе) с нулевым (обратным) проводом. Универсальные символические обозначения для разных версий приведены на рис. 2.61.

Устройства соединяются кабелями в цепочку (Daisy Chain), на крайних устройствах подключаются терминаторы. Часто одним из крайних устройств является хост-адаптер. Хост-адаптер может иметь для каждого канала как внутренний разъем, так и внешний. При одновременном использовании внешнего и внутреннего разъемов хост-адаптера его терминаторы отключают. Корректность использования терминаторов имеет существенное значение — отсутствие одного из терминаторов или, наоборот, лишний терминатор может привести к неустойчивости или потере работоспособности интерфейса. По исполнению терминаторы могут быть как внутренние (размещенные на печатной плате устройства), так и внешние (устанавливаемые на разъемы кабеля или устройства). По электрическим свойствам различают следующие типы терминаторов:

· Пассивные (SCSI-1) с импедансом 132 Ом — обычные резисторы. Эти терминаторы не пригодны для высокоскоростных режимов SCSI-2.

· Активные с импедансом 110 Ом — специальные терминаторы для обеспечения работы на частоте 10 МГц в SCSI-2.

· FPT (Forced Perfect Terminator) — улучшенный вариант активных терминаторов с ограничителями выбросов.

Рис. 2.64. Универсальные символические обозначения версий SCSI Активные терминаторы требуют питания, для чего имеются специальные линии интерфейса TERMPWR.

Ассортимент кабелей SCSI довольно широк. Основные стандартизованные кабели:

· А-кабель: стандартный для 8-битного интерфейса SCSI 50-проводный внутренний шлейф (разъемы IDC-50) или внешний экранированный (разъемы CENTRONICS-50).

· В-кабель: 16-битный расширитель SCSI-2, распространения не получил.

· Р-кабелъ: 16-битный SCSI-2/3 68-проводный с улучшенными миниатюрными экранированными разъемами, универсальными для внутренних и внешних кабелей 8-, 16- и 32-битных версий SCSI (в 8битном контакты 1-5, 31-39, 65-68 не используются). Разъемы для внешнего подключения выглядят как миниатюрный вариант Centronics с плоскими контактами, внутренние имеют штырьковые контакты.

· Q,-кабель: 68-проводное расширение до 32 бит, используется в паре с Р-кабелем.

· Кабель с разъемами DB-25P — 8-битный, стандартный для Macintosh, используется на некоторых внешних устройствах (Iomega ZIP-Drive).

Кроме того, возможны различные варианты кабелей-переходников. В Таблице 2.42. в качестве примера приведено назначение контактов разъемов P и Q-кабелей. Некоторое неудобство вызывает система нумерации контактов, которая различна для внешних и внутренних разъемов.

Таблица 2.42. Разъемы P, Q — кабелей SCSI Как и в шине РСI, в шине SCSI предполагается возможность обмена информацией между любой парой устройств. Конечно, чаще всего обмен производится между хост-адаптером и периферийными устройствами. «Умное» ПО способно иногда и «срезать углы» — копирование данных между устройствами производить без выхода на системную шину компьютера. Здесь большие возможности имеют интеллектуальные хост-адаптеры со встроенной кэш-памятью. В каждом обмене по шине принимает участие его инициатор (Initiator) и целевое устройство (Target). В табл. 2.43 приводится назначение сигналов.

Таблица 2.43. Назначение сигналов шины SCSI Сигнал Источник: I=Initiator, Назначение 2.7.2.9. Последовательная шина USB USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Шина разработана недавно — спецификация версии 1.0 была опубликована в январе 1996 года, — и в ней отразились современные достижения различных областей компьютерной техники. Архитектура USB определялась следующими критериями:

· Легко реализуемое расширение периферии PC.

· Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с.

· Полная поддержка в реальном времени передачи аудио- и сжатых видеоданных.

· Гибкость протокола для смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

· Интеграция в технологию выпускаемых устройств.

· Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

· Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро внедриться в продукцию.

· Открытие новых классов устройств, расширяющих PC.

· С точки зрения конечного пользователя привлекательны такие черты USB:

· Простота кабельной системы и подключений.

· Изоляция подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

· Самоидентифицирующаяся периферия, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

· Возможность динамического подключения и реконфигурирования периферии.

С середины 1996 года многие фирмы выпускают PC со встроенным контроллером USB, реализуемым прямо чипсетом системной платы. Поначалу USB ехидно расшифровывали как «Unused Serial Bus» — «неиспользуемая последовательная шина», но скоро ситуация, похоже, изменится.

Ожидается появление модемов, клавиатур, сканеров, динамиков и других устройств ввода/вывода с поддержкой технологии USB, а также мониторов с USB-адаптерами — такой монитор будет играть роль хаба для подключения других устройств.

Физический интерфейс Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины.

Информационные сигналы и питающего напряжения 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Для сигнала используются дифференциальный способ передачи по двум проводам D+ и DУровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники должны выдерживать входное напряжение в пределах В. Передатчики должны иметь возможность перехода в высокоимпедансное состояние для обеспечения двунаправленной полудуплексной передачи данных по одной паре проводов.

Передача по двум проводам USB не ограничивается лишь дифференциальными сигналами.

Кроме дифференциального приемника, каждое устройство имеет и линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать множество состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния Diff0 и Diff1определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SE0 — single-ended zero). Интерфейс определяет следующие состояния:

· Data J State и Data К State — состояния передаваемого бита (определяются через состояния Diff0 и · Idle State — пауза на шине.

· Resume State — сигнал «пробуждения» для вывода устройства из «спящего» режима.

· Start of Packet (SOP) — начало пакета (переход из «Idle» в «К»).

· End of Packet (EOP) — конец пакета.

· Disconnect — устройство отключено от порта.

· Connect — устройство подключено к порту.

· Reset — сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов, причем для полной и низкой скоростей состояния Diff0 и Diff1 имеют противоположное назначение. В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset принимается во внимание и время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет Мбит/с, низкая — 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой — невитой и неэкранированный кабель при длине сегмента до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Одна и та же система может одновременно использовать оба режима, переключение для устройств осуществляется прозрачно. Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством устройств, не требующих высокой пропускной способности канала.

Рис. 2.62. Подключение полноскоростного устройства Рис. 2.63. Подключение низкоскоростного устройства.

Рис. 2.64. Кодирование данных по методу NRZI.

Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R приемопередатчиков (см. рис. 2.62, 2.63).

Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 2.64. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика.

Кроме сигнальной пары, кабель имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

Стандарт определяет два типа разъемов (табл. 2.44).

Таблица 2.44. Назначение выводов разъема USB Разъемы, типа «А>> применяются для подключения к хабам (upstream connector). Они устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, от клавиатуры, мыши и т. п.).

Ответная часть к ним устанавливается на нисходящих портах (downstream port) хабов.

Разъемы типа «В» (downstream connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (например, на принтеры и сканеры). Его ответная часть устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет разъем типа «А».

Разъемы типов А и В различаются механически, что исключает возможность петлевых соединений портов хабов, которые недопустимы в USB. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает более позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для облегчения распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится обозначение, приведенное на рис.2.65.

Рис. 2.65. Обозначение разъема USB Питание устройств USB возможно как от кабеля (bus-powered devices), rat и от собственного блока питания (self-powered devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно к нему подключенные устройства. Каждый хаб (устройство с несколькими портами), в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии USB допускает применение хабов питающихся от шины. На рис. 2. приведен пример схемы соединения устройств USB. Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины.

USB имеет развитую систему управления энергопотреблением. Хост-компьютер может иметь собственную систему управления энергопотреблением (power management system), к которой логически подключается и одноименная система USB. Программное обеспечение USB взаимодействует с этой системой, поддерживая такие системные события, как приостанов (SUSPEND) или восстановление (RESUME). Кроме того, устройства USB могут сами являться источниками событий, отрабатываемых системой управления энергопотреблением.

Рис. 2.66. Пример подключения устройств USB 2.7.2.10. Шина IEEE 1394 — FireWire Стандарт для высокопроизводительной последовательной шины (High Performance Serial Bus), получивший официальное название IEEE 1394, был принят в 1995 году. Целью разработки являлось создание шины, не уступающей по производительности современным стандартным параллельным шинам, при существенном удешевлении и повышении удобств подключения, достижимом при переходе на последовательный интерфейс. Стандарт основан на шине FireWire, используемой фирмой Apple Computer в качестве дешевой альтернативы шины SCSI в компьютерах Macintosh и PowerMac.

Название FireWire (огненный провод) теперь применяется и к реализациям IEEE 1394, это название сосуществует и кратким обозначением 1394.

· Преимущества FireWire перед другими последовательными шинами:

· Многофункциональность: шина обеспечивает цифровую связь до 63 устройств без применения дополнительной аппаратуры (хабов). Устройства —цифровые камкодеры, сканеры, принтеры, камеры для видеоконференций, дисковые накопители — могут обмениваться данными не только с PC (необязательного для шины), но и между собой. FireWire по инициативе VESA является кандидатом на стандарт для «домашней сети».

· Высокая скорость обмена и изохронные передачи позволяют даже на начальном уровне ( Мбит/с) передавать по шине одновременно два канала «живого видео» (30 кадров в секунду) широковещательного качества и стереоаудиосигнал с качеством CD.

· Низкая (относительно) цена компонентов и кабеля.

· Легкость установки и использования. FireWire расширяет систему Plug and Play. Устройства автоматически распознаются и конфигурируются при включении и отключении. Питание от шины (током до 1,5 А) позволяет подключенным устройствам общаться с системой даже при отключении их питания. Управлять шиной и другими устройствами могут не только PC, но и другие «интеллектуальные» устройства.

2.7.2.10.1. Структура и взаимодействие устройств шины Стандарт 1394 определяет две категории шин: кабельные шины и кросс-шины (backplane). Под кросс-шинами подразумеваются обычно параллельные интерфейсы, объединяющие внутренние подсистемы устройства, подключенного к кабелю 1394.

В отличие от USB, управляемой одним хост-контроллером, стандарт 1394 предполагает соединение возможно равноправных устройств в сеть. Сеть может состоять из множества шин, соединенных мостами. В пределах одной шины устройства объединяются соединительными кабелями без применения каких-либо дополнительных устройств. Мосты представляют собой специальные интеллектуальные устройства. Интерфейс PC с шиной FireWire представляет собой мост PCI — 1394, мостами являются также и соединения кабельной шины 1394 с кросс-шинами устройств. 16-битная адресация узлов сети допускает до 63 устройств в каждой шине, адресуемых 6-битным полем идентификатора узла. 10-битное поле идентификатора шины допускает использование в системе до 1023 мостов, соединяющих шины возможно разного типа.

Кабельная шина представляет собой сеть, состоящую из узлов и (необязательно) кабельных мостов. Гибкая топология позволяет строить сети, сочетающие древовидную и цепочечную архитектуры (рис 2.67). Каждый узел обычно имеет три равноправных соединительных разъема.

Рис. 2.67. Соединение устройств на шине FireWire Допускается множество вариантов подключения устройств, удовлетворяющих следующим ограничениям:

· 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 использовать и более длинные кабели).

Некоторые устройства могут иметь только один разъем, что несколько ограничивает возможные варианты их местоположения. Стандарт допускает и до 27 разъемов на одном устройстве.

Стандарт предусматривает связь узлов с помощью 6-проводного кабеля, заключенного в общий экран. Две витые пары используются для передачи сигналов (раздельные для приемника и передатчика), два провода используются для питания устройств (8-40 В, до 1,5 А). Для гальванической развязки интерфейса используются трансформаторы (напряжение изоляции развязки до 500 В) или конденсаторы (в дешевых устройствах с напряжением развязки до 60 В относительно общего провода).

Рис. 2.68. Соединитель FireWire Представление о разъемах дает рис. 2.68. Некоторые устройства (например, камкодеры Sony DCR-VX700 и DCR-VX1000, а также DHR-1000 DVCR) имеют только один 4-контактный разъем меньшего размера, у которого имеются только сигнальные цепи. Эти устройства могут подключаться к шине через специальный переходной кабель только как оконечные (хотя в принципе возможно и применение специальных адаптеров-разветвителей).

Стандарт 1394 определяет три возможные частоты передачи сигналов по кабелям: 98,304, 196, и 393,216 Мбит/с, которые округляют до 100, 200 и 400 Мбит/с. Эти частоты в стандарте обозначаются как S100, S200 и S400.

Бытовые устройства обычно поддерживают S100, большинство адаптеров поддерживают S200. К одной шине могут подключаться устройства, рассчитанные на разные скорости. При этом обмен будет происходить на согласованной скорости — минимальной для всех активных узлов. Однако, если хостконтроллер реализует карту топологии и скоростей (Тороlogy_Мар и Speed_Map), возможно использование нескольких частот в одной шине, в соответствии с возможностями конкретной пары, участвующей в обмене.

Система допускает динамическое (горячее) подключение и отключение устройств.

Идентификаторы подключаемым устройствам назначаются автоматически, без участия пользователя.

Изменения топологии (состава подключенных устройств) автоматически отслеживаются шиной и передаются управляющему ПО.

2.7.2.10.2. Синонимы и дополнения стандарта 1ЕЕЕ Одна и та же высокопроизводительная шина, рассматриваемая в данном разделе, имеет множество псевдонимов:

· IEEE 1394-1995 Standard for a High Performance Serial Bus — полное название документа, описывающего стандарт, действующий в настоящее время.

· FireWire — торговая марка реализации IEEE-1394 фирмой Apple Computer, Inc.

· Р1394 — название предварительной версии IEEE-1394 (до принятия в декабре 1995 г.).

· DigitalLink — торговая марка Sony Corporation, используемая применительно к реализации IEEE-1394 в цифровых камерах.

· MultiMedia Connection — имя, используемое в логотипе 1394 High Performance Serial Bus Trade Association (1394TA).

Поскольку фирма Apple разрабатывала концепцию FireWire еще с 1986 года, имя FireWire является самым распространенным синонимом IEEE 1394.

Кроме основного стандарта IEEE 1394-1995 имеется (и разрабатывается) его несколько модификаций, направленных на развитие и уточнение стандарта:

· 1394а рассматривается как чистовой документ, заполняющий некоторые пробелы исходного стандарта и имеющий небольшие изменения (например, ускоренная операция сброса на шине). Продуктам 1394а обеспечена обратная совместимость даже с первыми камкордерами Sony, выпущенными до принятия основного стандарта. Версия вводилась для повышения скорости до 800 Мбит/с и выше, высокоскоростные версии входят и в 1394Ь.

· 1394.1 определяет 4-проводный соединитель и устанавливает стандарт на шинные мосты.

Мосты позволяют увеличить расстояние между устройствами (без них максимум — 4,5 м), что критично для сетей, а также сегментировать изохронный график.

· 1394.2 предполагается как стандарт на соединение кластера станций со скоростью обмена Гбит/с и выше, несовместимый с 1394. Этот стандарт имеет корни в стандарте IEEE 1596 SCI (Scalable Coherent Interface) для суперкомпьютеров и иногда называется «Serial Express» или «SCILite». Сигнальный интерфейс 1394.2 похож на FCAL (Fiber Channel Arbitrated Loop) и подразумевает кольцевую топологию, запрещаемую исходным стандартом 1394.

2.7.2.10.3. Сравнение FireWire и USB Последовательные интерфейсы FireWire и USB, имея общие черты, являются существенно различными технологиями. Обе шины обеспечивают простое подключение достаточно большого числа устройств (127 для USB и 63 в одной шине для FireWire), допуская коммутации и включение/выключение устройств при работающей системе. Топология обеих шин достаточно близка.

Хабы, требуемые для USB, входят в состав целевых устройств, и для пользователя их присутствие незаметно. Обе шины имеют линии питания устройств, правда, допустимая мощность для FireWire значительно выше. Обе шины полностью поддерживаются системой Plug and Play (автоматическое конфигурирование при включении и выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и линий прерываний для подключения множества устройств. Главными различиями является пропускная способность и способ управления шиной.

USB ориентирована на периферийные устройства, подключаемые к PC. Ее изохронные передачи позволяют передавать только цифровые аудиосигналы. Все передачи управляются централизованно, и PC является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины.

Соединение двух и более PC этой шиной не предусматривается.

FireWire ориентирована на интенсивный обмен между любыми подключенными к ней устройствами. Изохронный трафик позволяет по одной шине одновременно передавать как минимум два канала живого видео со стереозвуком. Шина не требует централизованного управления со стороны PC, которого может и не быть на шине. Возможно использование шины и для объединения нескольких PC и периферийных устройств в сеть.

2.7.2.11. Последовательная шина ACCESS.Bus и интерфейс I2C Последовательная шина ACCESS.Bus (Accessory Bus), разработанная фирмой DEC, является шиной взаимодействия компьютера с его аксессуарами — например, монитором (канал VESA DDC), интеллектуальными источниками питания (Smart Battery) и т. п. Шина позволяет с использованием лишь двух сигнальных и двух питающих (12 В, 500 мА) проводов обеспечить подключение до устройств ввода/вывода, длина шины может достигать 8 м. Аппаратной основой шины является интерфейс I2C, который характеризуется простотой реализации, но, по сравнению даже с USB, низкой производительностью. Над аппаратным протоколом I2C для шины ACCESS.Bus имеется базовый программный протокол, с которым взаимодействуют протоколы конкретных подключенных устройств. Вся эта конструкция обеспечивает возможность подключения и отключения устройств в процессе работы без перезагрузки операционной системы.

Интерфейс I2C, разработанный фирмой Philips, в PC появился недавно и используется как внутренняя вспомогательная шина системной платы для общения с энергонезависимой памятью идентификации установленных компонентов (модулей памяти DIMM). Шина отличается предельной простотой реализации — две сигнальные линии, манипуляции с которыми могут осуществляться программно-управляемым способом. По прямому назначению эту шину использует пока только BIOS при определении состава аппаратных средств, но использование перезаписываемой памяти конфигурирования открывает новые возможности и для привязки программного обеспечения к конкретной системе (точнее, установленному модулю), и для разрушительных действий вирусов.

Способ программного доступа к шине пока не стандартизован, но при желании для конкретной системной платы его можно «вычислить», изучив документацию на чипсет.

Рис. 2.69. Протокол передачи данных I2C Последовательный интерфейс I2C обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя два сигнала: данные SDA (Serial Data) и синхронизация SCL (Serial Clock). В обмене участвуют два устройства — ведущее (master) и ведомое (slave). Каждое из этих устройств может выступать как в роли передатчика, помещающего на линию SDA информационные биты, так и приемника, в зависимости от типа обмена. Протокол обмена иллюстрирует рис. 2.69. Синхронизацию задает ведущее устройство — контроллер, линия данных — двунаправленная с выходом типа «открытый коллектор» — управляется обоими устройствами поочередно. Частота обмена (не обязательно постоянная) ограничена только сверху величиной в 100 кГц для стандартного режима и 400 кГц для скоростного (Fast mode), что позволяет легко организовать программно-управляемую реализацию контроллера интерфейса.

Начало любой операции — условие Start — инициируется переводом сигнала SDA из высокого в низкий при высоком уровне SCL. Завершается операция переводом сигнала SDA из низкого уровня в высокий при высоком уровне SCL — условие Stop. При передаче данных состояние линии SDA может изменяться только при низком уровне SCL, биты данных стробируются положительным перепадом SCL. Каждая посылка состоит из 8 бит данных, формируемых передатчиком (старший бит — MSB — передается первым), после чего передатчик на один такт освобождает линию данных для получения подтверждения. Приемник во время девятого такта формирует нулевой бит подтверждения АСК.

После передачи бита подтверждения приемник при необходимости может задержать следующую посылку, удерживая линию SCL на низком уровне. Приемник также может замедлять передачу по шине на уровне приема каждого бита, удерживая SCL на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком.

Каждое ведомое устройство имеет свой адрес, по умолчанию разрядность адреса составляет бит. Адрес А[6:0] передается ведущим устройством в битах [7:1] первого байта, бит 0 содержит признак операции RW (RW=1 — чтение, RW=0 — запись). 7-битный адрес содержит две части:

старшие 4 бита А[6:3] несут информацию о типе устройства (например, для EEPROM — 1010), а младшие 3 бита А[0:2] определяют номер устройства данного типа. Многие микросхемы с интерфейсом I2C имеют три адресных входа, коммутацией которых на логические уровни «единицы»

и «нуля» и задается требуемый адрес. Некоторые значения полного адреса зарезервированы для специальных целей (табл. 2.45).

Общий вызов позволяет включившемуся устройству заявить о себе широковещательным способом. Байт START предназначен для привлечения внимания к интерфейсу, если в устройстве он организован программным (а не аппаратным) способом. До получения этого байта микроконтроллер устройства может не тратить своих вычислительных ресурсов на опрос состояния и управления сигналами интерфейса. При использовании 10-битной адресации биты [2:1] содержат старшую часть адреса, а младшие 8 бит будут переданы в следующем байте, если признак RW=0.

Таблица 2.45. Специальные адреса I2C Биты [7:1] Бит 0 (RW) Назначение 0000 001 X Адрес устройства шины CBUS (для обеспечения совместимости) Адрес ведомого устройства и тип обращения задается контроллером при инициировании обмена.

Операции обмена данными с памятью иллюстрирует рис. 2.70.

Выполнив условие Start, контроллер передает байт, содержащий адрес устройства и признак операции RW и ожидает подтверждения. При операции записи следующей посылкой от контроллера будет 8-битный адрес записываемой ячейки, а за ней байт данных (для микросхем объемом более байт адрес ячейки посылается двумя байтами). Получив подтверждения, контроллер завершает цикл условием Stop, а адресованное устройство может начать свой внутренний цикл записи, во время которого оно не реагирует на сигналы интерфейса. Контроллер может проверить готовность устройства посылкой команды записи (байт адреса устройства) и анализом бита подтверждения, сразу после этого формируя условие Stop. Если устройство откликнулось битом подтверждения, значит, оно завершило внутренний цикл и готово к следующей операции, которая начнется по условию Start.

Рис.2.70. Операции обмена данными с памятью по интерфейсу I2C: SA[0:21 — адрес устройства, DA[0:7] —адрес данных, D[0:7] —данные, W—признак записи (0), R—признак чтения (1) Операция считывания инициируется так же, как и запись, но с признаком RW=1. Возможно чтение по заданному адресу, по текущему адресу или последовательное. Текущий адрес хранится во внутреннем счетчике ведомого устройства, он содержит увеличенный на единицу адрес ячейки, участвующей в последней операции.

Получив команду чтения, устройство дает бит подтверждения и посылает байт данных, соответствующий текущему адресу. Контроллер на него может ответить подтверждением, тогда устройство пошлет следующий байт (последовательное чтение). Если на принятый байт данных контроллер ответит условием Stop, операция чтения завершается (случай чтения по текущему адресу).

Начальный адрес для считывания контроллер задает фиктивной операцией записи, в которой передается байт адреса устройства и байт адреса ячейки, а после подтверждения приема байта адреса снова формируется условие Start и передается адрес устройства, но уже с указанием на операцию чтения. Таким образом реализуется считывание произвольной ячейки (или последовательности ячеек).

Интерфейс позволяет контроллеру с помощью пары сигналов обращаться к любому из однотипных устройств, подключенных к данной шине и имеющих уникальный адрес (рис. 2.71). При необходимости увеличения количества устройств возможно подключение дополнительных групп. При этом возможно как использование общего сигнала SCL и раздельных сигналов SDA (двунаправленных), так и общего сигнала SDA и раздельных однонаправленных сигналов SCL. Для обращения к одной из нескольких микросхем (или устройств), не имеющих выводов для задания собственного адреса, также применяют разделение линий SCL (или SDA).

Рис.2.71. Подключение устройств к контроллеру I2C Протокол I2C позволяет использовать одну шину нескольким контроллерами, определяя коллизии (попытки одновременного доступа к шине со стороны двух и более контроллеров) и выполняя арбитраж. Эти функции реализуются достаточно просто: если два передатчика пытаются установить на линии SDA различные логические уровни сигналов, то «победит» тот, который установит низкий уровень. Передатчик следит за уровнями управляемых им сигналов и при обнаружении несоответствия (передает высокий уровень, а «видит» — низкий) отказывается от дальнейшей передачи. Согласно протоколу, устройство может инициировать обмен только при пассивном состоянии сигналов. Коллизия может возникнуть лишь при одновременной попытке начала обмена, но, как только конфликт будет обнаружен, «проигравший» передатчик отключится, а «победивший» продолжит работу.

2.7.2.12. Интерфейс JTAG (Boundary Scan) Интерфейс JTAG несколько выбивается из ряда вышеописанных, поскольку он используется не для регулярной работы устройств, а только в целях контроля и отладки. Интерфейс, по сути, является внешним, поскольку подразумевает подключение внешнего тестирующего устройства-контроллера.

Стандарт IEEE 1149.1 Boundary Scan Architecture (он же интерфейс JTAG) разработан для тестирования сложных логических схем, установленных в целевое устройство. Тестироваться могут многие современные процессоры, функциональные узлы системных плат, платы расширения (сигналы интерфейса JTAG входят в состав разъема шины PCI). Интерфейс JTAG содержит всего четыре сигнала:

· TMS (Test Mode Select) — сигнал выбора тестового режима.

· TDI (Test Data Input) — входные данные в последовательном двоичном коде.

· TDO (Test Data Output) — выходные данные в последовательном двоичном коде.

· ТСК (Test Clock) — сигнал синхронизации последовательных данных.

Эти сигналы образуют тестовый порт ТАР (Test Access Port), через который тестируемое устройство подключается к тестирующему оборудованию. В задачу тестирующего оборудования входит формирование тестовых сигналов по программе тестирования, определенной разработчиком тестируемого устройства и сравнение полученных результатов с эталонами. Один и тот же контроллер и порт могут использоваться для тестирования любого числа устройств, поддерживающих JTAG. Для этого они соединяются в цепочку (см. рис 2.72), стандартизованный логический формат позволяет контроллеру независимо общаться с каждым из устройств цепочки (для этого, конечно, они должны иметь исправные ячейки JTAG).

Рис. 2.72 Цепочка устройств с интерфейсом JTAG Идея тестирования любой цифровой схемы иллюстрируется рис. 2.73. На ней показана условная цифровая система, имеющая входные, выходные (возможно, с третьим состоянием) и двунаправленные сигналы. Ячейки тестирования B/S врезаются между реальными внешними выводами устройства и собственно логическим устройством — то есть располагаются на логической границе (boundary) устройства. ТАР-контроллер способен сканировать ячейки — управлять ими и считывать с них информацию. Отсюда и пошло название Boundary Scan, которое можно перевести как «сканирование границ».

Рис. 2.73. Логическая структура регистров Boundary Scan При включенном тестовом режиме ТАР-контроллер может логически отсоединить сигналы от внешних выводов, после чего задавать входные воздействия и считывать результаты — собственно, это и все, что необходимо для тестирования последовательных схем (автоматов с памятью). Прелесть JTAG заключается в том, что независимо от сложности устройства, оно тестируется с помощью всего лишь четырех сигналов — все сложности прячутся в достаточно простые ячейки, «окутывающие» его сигнальные выводы.

· Тестовая логика, встраиваемая в устройство, поддерживающее JTAG, состоит из следующих элементов:

· Тестовый порт ТАР (четыре интерфейсных сигнала).

· ТАР-контроллер, управляющий тестовыми регистрами.

· Регистр инструкций IR (Instruction Register), который принимает последовательный код со входа TDI. Код инструкции используется для выбора исполняемой тестовой операции или регистра тестовых данных, к которым производится обращение.

· Регистры тестовых данных: BPR (ByPass Register), DID (Device Identification Register) и BSR (Boundary Scan Register).

Регистры инструкций и данных представляют собой независимые сдвиговые регистры, соединенные параллельно. На их входы (старшие биты) приходит сигнал TDI, с выходов (младшие биты) снимается сигнал TDO. По каждому положительному перепаду данные продвигаются на один бит.

Регистр BPR имеет длину в один бит. Он используется как кратчайший обходной путь для последовательных данных, когда остальные регистры не участвуют в обмене.

Регистр BSR представляет собой длинный сдвигающий регистр, каждым битом которого являются пограничные ячейки, установленные на всех входных и выходных сигналах процессора. Для двунаправленных сигналов (или их групп), кроме собственно информационных ячеек регистра, соответствующих внешним сигналам, имеются и управляющие ячейки, задающие режим работы информационных ячеек.

32-битный регистр DID содержит идентификатор производителя, код устройства и номер версии, по которым ТАР-контроллер может распознать, с каким устройством он имеет дело.

Кроме этих обязательных регистров, устройство может иметь и специфические дополнительные регистры.

Для интерфейса JTAG существует специальный язык описания устройств BSDL (Boundary Scan Description Language). Состав и порядок следования информационных и управляющих ячеек в сдвиговом регистре данных специфичен для каждого устройства (для чего и существует идентификационный регистр) и сообщается его разработчиками.

В процессорах Pentium в использовании порта ТАР пошли дальше: ввели дополнительный сигнал прерывания R/S#, по которому процессор переходит в зондовый режим отладки. В этом режиме с помощью дополнительных инструкций ТАР возможно общение с регистрами процессора. Таким образом могут быть реализованы отладочные средства, абсолютно не зависящие (и не блокируемые) от программного кода, исполняемого процессором.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите особенности малых интерфейсов. Назовите основные интерфейсы ранга И4, использующиеся в мини- и микроЭВМ; каковы требования к их унификации?

2. Перечислите основные внешние и специальные интерфейсы персональных компьютеров класса 3. Охарактеризуйте стандарты параллельного порта (LPT).

4. Опишите интерфейс Centronics и охарактеризуйте его отличие от ИРПР.

5. Сформулируйте основные особенности стандарта IEEE 1284-1994.

6. Опишите отличия ЕРР и ЕСР.

7. Охарактеризуйте направления развития стандарта IEEE 1284.

8. Перечислите последовательные интерфейсы РС и их стандарты.

9. Опишите основные параметры интерфейса RS-232C.

10. Охарактеризуйте интерфейс «Токовая петля» и интерфейс «Инфракрасного порта».

11. Сформулируйте остовые положения интерфейса MIDI.

12. Опишите особенности GAME-порта.

13. Охарактеризуйте интерфейс клавиатуры.

14. Перечислите разновидности интерфейсов с монитором и охарактеризуйте их особенности.

15. Дайте описание интерфейса НГМД.

16. Поясните назначение и область применения интерфейсов НМД ST506/412 и ESDI.

17. Перечислите разновидности интерфейса АТА.

18. Что такое PIO и Ultra DMA?

19. Охарактеризуйте шину SCSI.

20. Поясните назначение шины USB в архитектуре IBM PC и опишите ее основные характеристики.

21. Поясните назначение шины IEEE 1394 – FireWire в архитектуре IBM PC и охарактеризуйте ее.

22. Дайте сравнение шин USB и FireWire.

Охарактеризуйте последовательную шину ACCESS Bus и интерфейс I2C.

23.

24. Дайте описание интерфейса JTAG (Boundary scan) и области его применения.

Классификации и описанию интерфейсов посвящена [4]. Там же приведен перечень стандартов на интерфейсы. Системные и малые интерфейсы мини и микроЭВМ рассмотрены в [3,4,21,22,23], для персональных компьютеров класса IBM PC – в [2], инструментальные интерфейсы – в [4]. Описание регистровой архитектуры LPT и COM-портов ПК можно найти в [2, 22]. Однако при практической работе следует пользоваться непосредственно стандартами, определяющими не только функциональные, но и временные требования.

В данном разделе использованы в основном материалы из [1, 2, 5].

3. ЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА

При построении ЭВМ в виде систем с переменным составом оборудования и разработке семейств ЭВМ требование стандартизации аппаратных интерфейсов СВВ является недостаточным. Более общее требование заключается в единстве логической структуры СВВ в пределах каждого семейства, при этом модели ЭВМ семейства различаются лишь физической структурой. Логическую организацию СВВ определяют форматы управляющей информации и способы ее передачи между компонентами СВВ, взаимосвязь программных средств при операциях обмена, структура и организация КВВ.

Для организации совместной работы автономно функционирующих устройств в процессе вводавывода возникает необходимость в передаче между компонентами СВВ различной управляющей информации. Команды или приказы формируются компонентами СВВ более высокого уровня иерархии и передаются компонентам более низкого уровня; команды в закодированном виде определяют указания выполнить те или иные действия. Компоненты СВВ более низкого уровня должны подтверждать получение команд и оповещать компоненты СВВ более высокого уровня о возможности или невозможности их выполнения, а также о завершении действий по их выполнению;

такое оповещение выполняется посредством информации о состоянии. Объем управляющей информации зависит от специфики устройства, которому передается команда или состояние которого она характеризует, однако форматы управляющей информации и способы ее передачи должны быть едиными для всех моделей ЭВМ одного семейства и всех ПУ.

Непосредственное управление ПУ осуществляется с помощью команд, или приказов. Термином «приказ» будем пользоваться только в том случае, если необходимо подчеркнуть различие управляющей информации для ПУ и других компонентов СВВ. Совокупность всех допустимых для данного ПУ приказов образует систему команд. Системы команд различны для различных ПУ. Так, например, приказ «читать» для ПчУ будет восприниматься как недопустимый.

С точки зрения программной организации ввода-вывода все ЭВМ можно разделить на три класса:

1) со специальной системой команд КВВ. Эта организация характерна для ЭВМ общего назначения с развитыми ПВВ; инициирование работы ПВВ осуществляется специальными командами ввода-вывода, предусмотренными в системе команд ЦП, а работа ПВВ осуществляется под управлением собственных программ;

2) со специальными командами ввода-вывода в системе команд машины, однако без дополнительной системы команд КВВ. Вся управляющая информация компонентам СВВ передается посредством этих команд. Такую организацию имеют некоторые микроЭВМ и РС-подобные персональные ЭВМ (выполненные на базе процессоров фирмы Intel: i80х86, Pentium и т.д., а также на совместимых с ними процессорах других фирм).

3) без специальных команд ввода-вывода в системе команд машины. Необходимая управляющая информация передается компонентам СВВ посредством команд, используемых для обращения к ячейкам ОП. Этот тип организации характерен для мини- и микроЭВМ (в основном с архитектурой фирмы DEC – Digital Equipment Corporation).

3.1. Логическая организация систем ввода-вывода ЭВМ общего назначения В ЭВМ общего назначения с раздельными интерфейсами памяти и ввода-вывода можно выделить следующие уровни иерархии в СВВ: ПВВ — контроллер — ПУ. Вся необходимая для организации обмена информация делится на две части: не зависящая от специфики ПУ, которая служит для инициирования операции ввода-вывода и управления передачей данных в память; зависящая от специфики ПУ, которая используется для непосредственного управления действиями в ПУ.

Иерархия команд. В системе команд ЦП предусматривается, по крайней мере, одна специальная команда для инициирования обмена. Эта команда служит для передачи ПВВ управления и содержит код операции инициирования и адрес месторасположения программы ПВВ в ОП; она содержит также адрес ПУ, который определяет «маршрут» передачи данных и строится по иерархическому принципу, т.е. состоит из номера ПВВ, номера контроллера и номера ПУ. При наличии нескольких альтернативных маршрутов в развитых СВВ предусматривается задание логического имени ПУ, которое передается в СВВ для определения возможного маршрута, т.е. составления физического иерархического адреса ПУ. Если команда ЦП для инициирования обмена не содержит адреса ПУ, то он определяется в командах ПВВ, что позволяет посредством одной программы ПВВ обслужить несколько однотипных ПУ (что характерно для систем управления). Местоположение программы ПВВ в ОП определяется адресом ячейки, содержащей первую команду программы ПВВ.

В системе команд ПВВ предусматривается множество операций, отражающих действия, выполняемые в ПУ, и их специфику. Однако формат этих команд должен быть унифицированным, что позволит подключать новые ПУ путем введения дополнительных программ ПВВ. При программной организации КВВ можно рассматривать как своеобразную подпрограмму, вход в которую осуществляется по команде инициирования ввода-вывода. При этом следует иметь и виду, что ЦП должен «перестроиться» на систему команд ПВВ. Каждая команда ПВВ, или управляющее слово (УС), в общем случае содержит код операции и описание области ОП (например, начальный адрес и длину области). Код операции в УС определяет направление передачи, вид передаваемой информации и служит основой для формирования приказа для ПУ, определяющего конкретные действия в нем.

Таким образом, можно выделить три уровня управляющей информации: команды инициирования ввода-вывода для ЦП, управляющие слова ПВВ, приказы ПУ. Для нормального функционирования СВВ необходима информация, поступающая вверх от нижних ступеней иерархии и определяющая способность СВВ и ее отдельных компонентов выполнять операцию. Эта информация передается от ПУ в ПВВ в виде байтов состояния, а от ПВВ в ЦП — в виде слова состояния СВВ. Слово состояния СВВ содержит информацию, характеризующую совокупное состояние системы, т.е. способность или неспособность выполнить требуемую операцию, а также позволяющую возобновить операцию после устранения причин, вызвавших ее остановку.

Совокупное состояние СВВ определяется состоянием всех участвующих в операции компонентов. В простейшем случае состояние СВВ характеризуется как доступное, когда все компоненты СВВ могут осуществлять действия, связанные с выполнением данной операции, и недоступное, если хотя бы один из компонентов не может приступить к выполнению операции.

Совокупное состояние не может характеризовать все многочисленные условия, возникающие в СВВ с разнообразными ПУ. Поэтому в тех случаях, когда информация о состоянии недостаточна для принятия решения, например при отказе какого-либо компонента, предусматривается возможность уточнения состояния. Информация об уточненном состоянии отражает специфику каждого конкретного ПУ, а ее объем зависит от сложности ПУ; эта информация должна обрабатываться специальными программами для каждого ПУ. Необходимость уточнения состояния СВВ в современных ВС, отличающихся высокой надежностью, возникает достаточно редко.

Упрощенная схема взаимодействия компонентов СВВ с помощью команд ЦП, управляющих слов ПВВ, приказов ПУ, байтов и слов состояния сводится к следующему. ЦП в процессе выполнения обработки обнаруживает команду инициирования ввода-вывода и передает ее в соответствующий ПВВ. Если данный ПВВ способен ее принять, то команда ввода-вывода помещается в нем на регистр РгК. При невозможности принять команду ПВВ формирует слово состояния с указанием причины, по которой команда отвергнута. Это слово состояния передается в ЦП.

Содержимое принятой команды используется для запроса первого УС программы ПВВ и, если она содержит адрес ПУ, для запроса состояния контроллера и ПУ. Адрес УС передается на адресную шину ОП, и в ответ по информационной шине ПВВ получает первое УС программы, которое размещается на регистре управляющего слова РгУС в блоке центрального управления. Адрес ПУ передается БУИ для реализации процедуры начальной выборки. ПУ отвечает о своем состоянии байтом состояния, который заносится на РгС, где формируется слово состояния СВВ. ЦП может продолжить выполнение программы обработки только после того, как убедится, что ПВВ приступил к выполнению операции, т.е. после получения информации о состоянии СВВ.

Код операции УС в ПВВ используется для формирования приказа, передаваемого в ПУ через интерфейс ввода-вывода. Обычно УС позволяет управлять передачей блока данных, поэтому оно содержит описание области ОП, где находится этот блок при выводе или где он должен быть размещен при вводе. Такое описание может быть выполнено тремя способами: указанием начального и конечного адресов, начального адреса области и ее длины (определяется содержимым поля счетчика данных СчД) или конечного адреса и длины. Любой из этих способов позволяет вычислить текущий адрес ячейки ОП, в которую заносится очередное слово данных, полученное из ПУ при вводе, или из которой выбирается слово для передачи на ПУ при выводе. Кроме того, можно вычислить текущую длину подлежащего передаче блока. Для вычисления очередного адреса данных при обработке каждого слова данных в ПВВ (приема и передачи) текущий адрес увеличивается на единицу, одновременно уменьшается на единицу содержимое счетчика данных СчД. При достижении нуля в СчД операция под управлением первого УС завершается. Для продолжения обмена с данным ПУ необходимо выбрать следующее УС; для этого увеличивают содержимое регистра адреса УС (РгАУС), функции которого аналогичны функциям программного счетчика в ЦП.

В программе ПВВ необходимо указать, какое УС является последним, для этого используется либо специальный код останова в системе команд ПВВ, либо цепочка команд, организуемая посредством указателей. В результате выполнения последнего УС состояние компонентов СВВ изменяется. ПВВ формирует слово конечного состояния и запрос прерывания ЦП. Слово конечного состояния, принятое ЦП в результате обработки прерывания, информирует его об условии завершения операции обмена (успешно или неуспешно).

Как видно, управление работой ПВВ осуществляется последовательностью УС, т.е. его программой. Составление таких последовательностей УС называют иногда программированием вводавывода. Оно чрезвычайно трудоемко и требует понимания специфики работы каждого используемого ПУ. Именно поэтому современные системы позволяют программисту не составлять программы ПВВ, а обращаться за ними к операционной системе (ОС).

Необходимость в написании программ ПВВ возникает только при включении в состав ВС новых ПУ. Компоненты ОС, обеспечивающие координацию действий при вводе-выводе, называют программным обеспечением ввода-вывода, в состав которого входят Рис. 3.1 Взаимодействие программных иодулей ОС.

программы (методы) доступа (ПД), супервизор (или монитор ПМ) и ряд других программных модулей. Взаимодействие программных модулей ОС осуществляется посредством макрокоманд (рис.

3.1). При составлении прикладных программ программист описывает все используемые файлы и форматы вводимых и выводимых данных. Эти описания в процессе ассемблирования преобразуются в блоки параметров для последующей «настройки» программ ПВВ. Программы пользователя непосредственно не содержат команд инициирования ввода-вывода, так как к одному ПВВ или ПУ может быть очередь запросов от разных программ пользователей (ПП). Кроме того, к моменту выдачи команды инициирования ввода-вывода должна быть закончена настройка программы ПВВ на данную операцию. Поэтому, чтобы инициировать ввод-вывод, ПП содержит макрокоманду (МК1) обращения к системной программе ПД.

Макрокоманда МК1 передает программе ПД параметры, необходимые для настройки программы ПВВ на данную операцию. После завершения настройки управление посредством макрокоманды МК передается ПМ. Монитор ПМ ставит запрос в очередь, выбирает очередной запрос на обработку в ПВВ и выдает команду (К) инициирования ввода-вывода, обрабатывает прерывание, а также выполняет ряд дополнительных действий по обработке информации, полученной в слове состояния.

После постановки запроса в очередь ПМ возвращает управление программе ПД, а она в свою очередь — программе ПП. После выдачи монитором команды инициирования ввода-вывода в ПВВ и подтверждения (словом состояния — СС о ее принятии к исполнению ПМ возвращает управление ПП. Программы ПП, ПД и ПМ реализуются средствами ЦП. Параллельная работа ЦП и ПВВ реализуется только после подтверждения от ПВВ о принятии к исполнению команды инициирования ввода-вывода.

3.2. Логическая организация СВВ в мини- и микроЭВМ В мини- и микроЭВМ встречается программная организация как со специальными командами ввода-вывода (изолированный ввод-вывод), так и без них (ввод-вывод, отображенный на память). В СВВ со специальными командами ввода-вывода вся управляющая информация посредством этих команд передается компонентам, участвующим в операции ввода-вывода. Управляющая информация включает в себя адрес ПУ и контроллера, адрес текущей ячейки ОП или описание области ОП, приказ ПУ, режим и направление обмена и т.д. При наличии специальных команд ввода—вывода в объединенном интерфейсе обязательно предусматриваются специальные линии, сигналы на которых формируются в результате дешифрации кода операции команды и информируют все устройства о выполняемой операции. Система команд включает такие команды, как «ввод», «вывод», «передача приказа», «чтение состояния» и т.п. Адресные пространства памяти и ПУ различны, т.е. коды их адресов могут совпадать, так как обращение к ним производится командами с различающимися кодами операций. Передача информации осуществляется обычно между регистрами ЦП и ПУ.

При организации СВВ без специальных команд ввода-вывода в системе команд. каждое ПУ для СВВ представляет собой совокупность адресуемых регистров. Адреса этих регистров и ячеек ОП образуют общее адресное пространство, что позволяет для обращения к регистрам ПУ использовать команды пересылок в память. Коды операции в командах обращения к ПУ и ОП одинаковы; команды, таким образом, отличаются только содержимым полей адреса. Совокупность адресов регистров ПУ образуют область адресов ПУ в адресном пространстве, а совокупность адресов ячеек ОП — область адресов памяти. Эти области не пересекаются. Каждое ПУ (или его контроллер) имеет не менее двух регистров, но для сложных ПУ их может быть больше. Регистр с наименьшим адресом А0 обычно используют в качестве регистра команд (приказов) и состояния (РгКС); адрес А0 этого регистра приписывается ПУ в качестве его номера. Адрес следующего регистра А1 определяется путем добавления единицы: А1=А0+1 (при двухбайтовом РгКС А1 = А0+2). Регистр со старшим адресом используют в качестве регистра данных (РгД). Остальные регистры являются управляющими.

При выполнении операции ввода-вывода необходимо строго соблюдать последовательность загрузки регистров управляющей информацией и данными, а также обрабатывать информацию о состоянии устройства. Очевидно, что последовательность загрузки регистров, характер управляющей информации и информации о состоянии ПУ, а также алгоритмы ее обработки зависят от специфики ПУ. Программирование операций ввода-вывода вызвало бы значительные трудности, поэтому операционные системы мини ЭВМ и большинства микроЭВМ позволяют заменить непосредственное программирование обращением к специальным управляющим программам. Этим достигается независимость программирования задач пользователя от специфики ПУ. Непосредственное управление ПУ осуществляется с помощью программы-драйвера и называется обслуживанием на физическом уровне. Каждое ПУ имеет собственное физическое имя, однозначно определяющее его адрес и управляется собственным драйвером (рис. 3.2). Программа пользователя (ПП) обычно использует логические имена. Соответствие логических и физических имен устанавливается системной таблицей (СТ), которая создается при генерации системы или автоматически при регистрации задачи пользователя. Для настройки драйвера ПУ на конкретную операцию в процессе ассемблирования для каждого файла создается блок управления данными (БУД); основой для его создания служат параметры операторов работы с файлами. При необходимости осуществить операцию ввода-вывода ПП обращается к монитору (ПМ), который анализирует возможность выполнения этой операции, т.е. проверяет наличие соответствующего БУД, и ставит запрос в очередь.

Рис. 3.2 Логическая организация СВВ мини- и микроЭВМ.

Помимо этого ПМ выполняет функции защиты файлов при мультипрограммном режиме, защиты доступа к ПУ и ряд других. БУД, СТ и ПМ образуют логический уровень управления.

Непосредственная связь программ с ПУ осуществляется через драйверы, на которые возлагают следующие функции:

— определение параметров, т.е. определение адресов регистров и векторов прерываний ПУ в адресном пространстве, назначение отдельных битов в РКС и т.п.;

— инициирование ввода-вывода, при котором проверяется готовность контроллера и ПУ, формируется управляющая информация для ПУ, определяются действия при обнаружении ошибок;

после инициирования ввода-вывода драйвер возвращает управление ПМ;

— обработка прерываний, в процессе которой выявляются причины прерывания, определяется состояние ПУ;

— обработка ошибок, в результате которой определяется целесообразность повторения попытки выполнить операцию;

— завершение операции, при котором драйвер передает управление ПМ с указанием на успешное или неуспешное окончание операции.

3.2.1.Способы организации обмена в мини ЭВМ, микроЭВМ и ПЭВМ.

Существует три способа: программный несовмещенный ввод-вывод, программный ввод-вывод с прерыванием программы, ввод-вывод через Рис. 3.3 Несовмещенный ввод-вывод Рис. 3.4 Ввод-вывод с прерыванием канал прямого доступа к памяти.

Программный несовмещенный ввод-вывод характеризуется тем, что обращение к ПУ осуществляется только в моменты времени, определяемые программой ЦП. Часто все действия по управлению обменом реализуются командами ПП (рис.3.3). Синхронизация ЦП и ПУ достигается организацией программного ожидания момента готовности ПУ. С этой целью в РгКС один из разрядов указывает на готовность или занятость ПУ. Участок, обведенный штриховой линией, содержится непосредственно в ПП либо выделяется в простейший драйвер, к которому обращается и от которого вновь получает управление ПП. Команда обращения к РгКС позволяет получить и затем проанализировать состояние ПУ. Если ПУ не готово, то организуется ожидание путем повторения команды чтения РгКС. Если содержимое РгКС свидетельствует о готовности ПУ, то производится чтение содержимого РгД и одновременно сбрасывается признак готовности в РгКС. Затем осуществляется возврат управления ПП. Установку признака готовности в РгКС производит ПУ синхронно по отношению к процессам, протекающим в ЦП. Этим достигается синхронизация ПУ и ЦП.

Операция вывода реализуется аналогично — вначале анализируется готовность ПУ принять данные (по значению признака в РгКС), а затем по команде записи данные передаются в РгД;

одновременно с записью данных в РгД производится сброс признака готовности в РгКС. Признак готовности вновь устанавливается ПУ, как только оно будет готово принять очередной квант данных.

Такой обмен сильно загружает процессор, особенно если программа формирует и управляющие сигналы обмена. Так, например, работает драйвер параллельного порта в стандартном режиме, когда строб данных формируется двумя инструкциями OUT. В результате предел пропускной способности такого порта, в зависимости от производительности процессора, может быть порядка 150 Кбайт/с.

Если процессор разгрузить от анализа готовности и формирования строба, как, например, в ЕРРрежиме параллельного порта IBM PC (см.2.7.2.1.4.), то производительность порта можно повысить на порядок. Однако такой режим обмена программно-управляемым называть уже некорректно — это уже режим программного ввода/вывода с аппаратным контролем потока, где темп обмена определяет подключенное устройство. Высокоскоростные режимы программного обмена PIO (Programmed input/output) с успехом применяются и в интерфейсе IDE (ATA). Эти режимы используют инструкции блочной пересылки REP-INS/OUTS (используются в процессорах начиная с i80286), при которых процессор способен пересылать байт или слово между портом и областью памяти, затрачивая минимальное количество тактов системной шины. Скорость такого обмена превышает скорость стандартного канала прямого доступа (DMA) Поскольку эту полную скорость периферийные устройства воспринять обычно не могут, контроллер интерфейса «притормаживает» обмен до разумных скоростей, определяемых режимом обмена. Параметры этих режимов, называемых PIO Mode (Programmed input/output Mode — режимы программного ввода/вывода), приведены в табл. 2. Главы 2. В режимах 0, 1 и 2 синхронизация с устройством не предусматривается — считается, что оно должно успевать. Старшие режимы, кроме указанных ограничителей скорости сверху, используют и сигнал готовности от устройства. Режим PIO задается при инициализации контроллера интерфейса АТА.

Программный ввод-вывод с прерываниями программы является основным способом организации ввода-вывода в ПЭВМ, мини- и микроЭВМ для ПУ малого и среднего быстродействия.

Для синхронизации процессов в ЦП и ПУ используется механизм прерываний, а управление передачами данных и управляющей информации для ПУ осуществляется программно. Данные передаются между регистрами ПУ и ЦП; пересылку данных в ОП осуществляет ЦП по адресу, который он определил при выполнении программы драйвера. После выполнения каждой команды в ЦП (рис. 3.4) производится анализ запроса прерываний, а при его наличии проверяется — разрешено ли данное прерывание. При наличии разрешенного прерывания ЦП инициирует его обслуживание.

Маскирование прерываний позволяет защищать от прерываний так называемые критические секции программы пользователя, т.е. такие участки программы, на выполнение которых не должно оказывать влияние изменение содержимого памяти, вызываемое процессом ввода.

Запрос прерывания может формироваться не только ПУ, но и по специальной команде ЦП. Все запросы прерываний обрабатываются последовательно в соответствии с приоритетами. При инициировании обработки прерываний вначале определяется источник запроса; если источником запроса прерываний является ПУ, то управление передается соответствующему драйверу.

Существует несколько способов определения, от какого ПУ поступил запрос на прерывание; эти способы сводятся к различным вариантам аппаратного и программного опроса ПУ. В результате такого опроса программе обработки прерываний становится доступным адрес ПУ, по которому вычисляется начальный адрес программы-драйвера; ей и передается управление. С этой целью в большинстве микроЭВМ и ПЭВМ для каждого ПУ в основной памяти предусматривается по две ячейки, хранящие векторы прерываний. Совокупность этих ячеек для всех ПУ образует область «векторов». Вектор прерывания однозначно определяется адресом ПУ. В его ячейках хранится адрес перехода к программе-драйверу для обслуживания данного ПУ а,иногда информация о состоянии программы и возврата. При программном вводе-выводе каждое прерывание позволяет передать между ОП и ПУ один байт или одно слово данных. Параллельная работа ЦП и ПУ происходит только в интервале между прерываниями. Обработка прерываний приводит к большим непроизводительным затратам времени ЦП, что не позволяет использовать такую организацию ввода-вывода для быстрых ПУ.

Ввод-вывод через канал прямого доступа в память используется для быстродействующих ПУ при передаче данных между ОП и ПУ блоками; это позволяет значительно сократить число прерываний. ПУ, в частности ВЗУ, подключается к объединенному интерфейсу через контроллер прямого доступа в память (КПДП). Основные функции КПДП заключаются в выработке текущего адреса ОП в процессе обмена, а также в управлении передачами через интерфейс, проверке правильности передаваемых данных и определении момента завершения передачи блока. Прямой доступ в память рассмотрен достаточно подробно в гл. 1. Здесь же отметим только, что для работы КПДП должна быть выполнена программа-драйвер, в результате которой загружаются регистры управления, регистр адреса (РгА) и счетчик данных (СчД) КПДП. Выполнение этой программы инициируется по прерыванию. После начальной загрузки регистров ПУ выполняет автономную подготовку данных; по завершении подготовки формируется сигнал запроса прямого доступа, которому присвоен наивысший приоритет, в результате управление интерфейсом передается КПДП.

Обработка завершения операции осуществляется программным путем, для чего формируется соответствующий запрос прерывания и управление передается драйверу. Таким образом, КПДП управляет только непосредственной передачей данных через интерфейс между ПУ и ОП, все действия по инициированию и завершению операции ввода-вывода управляются программным путем.

В персональных компьютерах типа IBM PC скорость стандартного канала ПДП (DMA – Direct Memory Access) ограничена значением 2 или 4 мегабайта в секунду в зависимости от разрядности канала. Производительность в режиме прямого управления шиной обычно выше, чем у стандартных каналов DMA. Прогрессивные режимы DMA обеспечивают более высокие скорости обмена.

Например режим Ultra DMA/33 обеспечивает скорость обмена до 33 Мбайт/с. Но этот режим доступен лишь при работе через контроллер IDE, расположенный на шине PCI. Параметры стандартных режимов обмена поDMA для интерфейса ATA-2 приведены в таблице 2.39 Глава 3.2.2.Контроллеры ввода-вывода.

В реальных ЭВМ подключение ПУ к системному интерфейсу осуществляется не непосредственно, а с помощью специального контроллера, как показано на рис.3.2. Такой контроллер ввода-вывода осуществляет функции преобразования последовательности сигналов системного и малого интерфейсов и за счет стандартизации малых интерфейсов позволяет использовать одни и те же ПУ в различных моделях микроЭВМ. По функциональному назначению такой контроллер можно назвать адаптером. Адаптером называется устройство сопряжения между собой устройств с различным способом представления данных либо устройств, использующих различные виды унифицированных сопряжений (интерфейсов). Конечно, для подключения ПУ к конкретной машине необходим специальный контроллер. Предположим, что ПУ обладает «выходом» на малый интерфейс ИРПР, тогда для подключения этого ПУ к микроЭВМ «Электроника-60» необходим контроллер МПИ-ИРПР, для подключения его к PC/AT – необходим контроллер ISA-ИРПР и т.д. Необходимые регистры ПУ физически располагаются в контроллерах. При подключении к одному контроллеру нескольких ПУ обслуживание производится поочередно, и на контроллер возлагаются дополнительные функции по мультиплексированию.

На рис.3.5 приведена структурная схема контроллера, где регистр команды (РгК) служит для приема по шине данных интерфейса Ио управляющей информации для ПУ; регистр состояния РгС— для получения информации о состоянии ПУ и передачи ее в ЦП через шину данных системного интерфейса; селектор адреса (СА)—для выбора адресуемого регистра.

Рис. 3.5 Контроллер (адаптер) системная шина – малый интерфеис.

Адресуемым регистрам присваиваются последовательные адреса из области адресов ПУ адресного пространства, поэтому адрес любого регистра представляется в виде базового адреса контроллера (старшие разряды адреса) и смещения (младшие разряды). Физически базовый адрес в контроллере может устанавливаться с помощью перемычек. При передаче адреса по системному интерфейсу в каждом контроллере сравниваются старшие разряды передаваемого адреса с собственным базовым адресом. Совпадение адресов означает, что обращение производится к данному контроллеру. Для приема и передачи данных через интерфейс Ио служат регистры ввода РгД(Вв) и вывода РгД(Выв). На контроллер возлагаются также функции по преобразованию параллельного представления информации в последовательное и обратно, если малый интерфейс является последовательным, контролю передаваемой информации, управлению скоростью передачи при подключении ПУ через стык С2 и т.д. Все эти преобразования осуществляются с помощью регистров РгД(Вв) и РгД(Выв) и дополнительных схем управления. В состав схем контроллера входят также усилители приемники (ПРМ) и передатчики (ПРД).

При организации совмещенного ввода-вывода с прерываниями сигналы прерывания формируются контроллером на основании изменения содержимого определенных разрядов регистра состояния РгС.

Рис. 3.6. Контроллер, поддерживающий и реализующий режим ПДП.