Характеристика внутримашинного системного интерфейса 2 часть

– управление потоком данных между корневым узлом и USB устройствами;

– сбор статусов (состояний) и статистики активности устройств;

– обеспечение питанием устройств, подключенных к машине.

Системное ПО USB на хост-контроллере управляет взаимодействием между устройством и его ПО.

Существует 5 основных вариантов взаимодействия системного ПО USB и ПО устройства, подключаемого к шине USB:

– конфигурирование устройства;

– опрос устройства;

– синхронный обмен данными;

– асинхронный обмен данными;

– управление питанием устройства.

Структура USB. ШинаUSB позволяет:

– подключать;

– конфигурировать;

– использовать;

– отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Перечень терминов, используемых в спецификации USB. Устройства (Device) USB могут являться:

– хабами (соединителями);

– функциями;

– их комбинацией.

Хаб (Hub) (разветвитель) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к машине, т.е. он являются кабельным концентратором.

Функции USB представляют собой устройства, способные передавать данные или принимать данные или управляющую информацию по шине USB.

Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сбор) и предоставление информации, описывающей устройство.

Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное, может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности ПУ и требования к ресурсам.

Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом.

Примеры функций:

– указатели – мышь, планшет, световое перо;

– устройства ввода – клавиатура или сканер;

– устройства вывода – принтер, звуковые колонки (цифровые);

– телефонный адаптер ISDN;

– внешняя память.

Хаб – ключевой элемент системы Plug and Play (PnP) в архитектуре USB. Напомним, что хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов. У каждого хаба имеется один восходящий порт (upstream), предназначенный для подключения к хосту или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими (downstream), предназначенными для подключения функций или хабов нижнего уровня [6].

Хаб может распознать подключение устройств к портам или отключение от них и управлять подачей питания на сегменты нисходящих портов.

Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную (низкую) скорость обмена.

Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных.

Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты, предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

Модель передачи данных.

Система USB разделяется на 3 уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит:

– интерфейсную часть;

– логическую часть устройства;

– функциональную часть.

Хост также делится на 3 части:

– интерфейсная;

– системная;

– ПО обслуживания устройства (клиентское ПО).

Каждая часть отвечает только за определенный круг задач. Логическое и реальное взаимодействие между выделенными частями иллюстрируется на рисунке ниже.

Адаптеры USB.

Если у вас есть несколько устройств, а системная плата поддерживает последнюю версию спецификации USB, можно приобрести специальные адаптеры-преобразователи. Существу­ют следующие типы таких адаптеров:

− USB-параллельный порт (принтер);

− USB-последовательный порт;

− USB-SCSI;

− USB-Ethernet;

− USB-клавиатура/мышь;

− USB-TV/video.

Модуль представляет собой однокомпонентное устройство, активные электронные схемы собираются вместе с кабелем в корпусе моду­ля либо монтируются на одном из концов кабеля. Электронные схемы, питание к которым пода­ется по шине USB, преобразуют поступающие сигналы в сигналы, соответствующие интерфейсу второго устройства.

Если необходимо использовать несколько различных уст­ройств, то используют специальный концентратор USB, которые содержат пор­ты различных типов. Такие концентраторы называют многофункциональными концен­траторами USB, репликаторами USB-портов или установочными станциями USB.

Для подключения двух компьютеров адаптер прямого соединения USB может создать USB-сеть. Такой тип соединения обеспечивает более высокую скорость передачи данных, чем пря­мое параллельное соединение. Также существуют специальные контроллеры USB, позво­ляющие периферийному устройству использовать две и более USB-шины. Как прямое соеди­нение, так и контроллеры USB технически не определены в официальной спецификации USB, хотя все равно имеют право на существование.

Дополнительная информация представлена в приложении К.

Вопросы.

1. Какое назначение и какими характеристиками обладает интерфейс USB?

2. Какие сигналы и по какому кабелю (сколько жил в кабеле) передаются в интерфейсе USB?

3. На какие части делится устройство USB?

4. Каким образом осуществляется взаимодействие компонентов USB?

5. Что представляет собой физический интерфейс USB?

6. Какие состояния определяет интерфейс?

7. Сколько режимов передачи имеет USB?

8. Сколько и какие типа передаваемых данных существуют в архитектуре USB?

9. Каковы характеристики USB 2.0?

10. Назначение выводов разъема USB?

Интерфейс IEEE1394

Высокоскоростной интерфейс – FireWire – разработан фирмой Apple для своих персональных компьютеров. Переименованный затем комитетом стандартизации Института инженеров электротехники и электроники в интерфейс IEEE_1394. В 1995 году была опубликована рассмотренная ниже первая версия стандарта IEEE 1594.

Тактовая частота шины стандарта IEEE1394 может быть 98,304, 196,608 и 393,216 Мбит/с, что соответствует номиналам 100, 200 и 400 Мбит/с. Подключаемое к шине устройство может иметь любую максимальную скорость из этого набора, но обязано поддерживать и более низкие скорости.

Спецификация интерфейса IEEE1394 предусматривает последовательную передачу данных со скоростями 100, 200, 400, 800 и 1600 Мбит/с (последние два значения являются не стандартизированными расширениями). Выбор последовательного интерфейса обусловлен необходимостью связать удаленные внешние устройства, работающие с различными скоростями. В этом случае обеспечивается их работа по одной линии, отсутствие громоздких кабелей и шлейфов, габаритных разъемов.

Полностью цифровой интерфейс позволяет передавать данные без потери информации. Отсутствие каких-либо терминаторов, идентификаторов, возможность «горячего» подключения упрощают эксплуатацию компьютера по сравнению с шиной SCSI. Топология интерфейса «древовидная», при этом система адресации обеспечивает подключение до 63 устройств в одной сети. Для связи между сетями существуют мосты, для объединения ветвей в один узел - концентраторы. Повторители служат для усиления сигналов при длине соединения более 4,5 метров. Всего может быть связано до 1024 сетей по 63 устройства в каждой. Все устройства IEEE1394 соединяются между собой шестижильным экранированным кабелем, имеющим две пары сигнальных и пару питающих проводников. Подключение осуществляется с помощью стандартной пары «вилка - розетка». Провода питания рассчитаны на ток до 1,5 А при напряжении до 40 В. Если устройство имеет собственное питание, применяется гальваническая развязка.

Корневое устройство интерфейса выполняет функции управления шиной и может содержать мост «1394 - PCI». Сейчас такие устройства предлагаются большей частью в виде плат расширения, но уже включаются в состав системного набора некоторых материнских плат. Спецификация IEEE1394 описывает два типа передачи последовательных данных: синхронный и асинхронный. При асинхронном методе приемник подтверждает получение данных, а синхронная передача гарантирует стабильную полосу пропускания.

Каждое устройство является узлом сети (Node) и может содержать несколько равноправных разъемов (портов) для подсоединения кабеля. Между портами сигналы передаются через повторители, которые в нужный момент изменяют направление передачи или вообще блокируют сигнал. Такое соединение, хотя и вносит дополнительную задержку в распространение сигнала, гарантирует устойчивость работы, исключает петли и крайне полезно при арбитраже. Одна сеть может содержать до 63 узлов, но независимые сети могут объединяться (всего 1023 сети). Используя уникальный адрес сети и узла, устройства поочередно обмениваются пакетами данных. Для работы сети не нужен центральный компьютер – любое устройство может самостоятельно осуществлять обмен.

Первоначально все узлы сети равноправны, а ее топология не определена. Любое изменение в сети переводит шину в состояние Reset. Затем следует идентификация, которая начинается с процесса определения топологии (Tree_Identification) и заканчивается процессом самоидентификации (Self_Identification). В результате сеть приобретает топологию дерева, а узлы получают уникальные адреса. Если какой_нибудь узел не удовлетворен полученными параметрами сети, он может попытаться изменить их, повторив процесс инициализации. В течение одной секунды, пока длится инициализация и идентификация, передача данных невозможна. Поэтому нельзя подключить к сети новое устройство, не прервав передачу. Отметим, что с USB это возможно и без разрыва активных соединений.

Согласованием работы узлов занимаются специальные менеджеры. Так, за администрирование шины IEEE1394 отвечает менеджер шины (Bus Manager), следящий за ее ресурсами и оптимальностью работы, в том числе и за синхронизацией изохронных циклов.

Менеджер питания (Power Manager) учитывает потребителей питания с проводов шины. Менеджер изохронных пакетов (Isochronous Manager) регулирует трафик изохронных пересылок. Любой менеджер требуется только при необходимости и может быть реализован на отдельном узле – как правило, на подключенном к сети компьютере. Число компьютеров в сети, как независимых, так и действующих согласованно, не ограничено.

В стандарте IEEE1394 предусмотрена многоуровневая иерархия процедур. На физическом уровне (Physical Layer) выполняются действия, связанные с идентификацией, арбитражем и кодированием сигналов. На уровне соединения (Link Layer) контролируется корректность оформления пакетов и подтверждений. На уровне пересылок (Transaction Layer) обеспечивается правильный порядок пересылки пакетов. Средства же уровня управления (Management Layer) реализуют функциональность и обслуживают пакеты, предназначенные менеджерам.

Таблица 5.5 - Схема цоколевки

Розетка (устанавливается на корпусе компьютера или периферийного устройства)
№ вывода	Обозначение	Описание
	Power	Питание
	Ground	Корпус
	TRB-	Витая пара В, -
	TRB+	Витая пара В, +
	TPA-	Витая пара А, -
	TPA+	Витая пара А, -

Технические характеристики 1394b.

Спецификация IEEE-1394b является вторым поколением стандарта 1394. Первые устройст­ва, соответствующие стандарту IEEE-1394b (высокопроизводительные внешние накопители на жестких дисках), были представлены в январе 2003 года. В этом стандарте определены два но­вых 9-жильных кабеля и соответствующие 9-контактные разъемы, обеспечивающие передачу данных по медному или волоконно-оптическому кабелю со скоростью 800–3200 Мбит/с. Кроме в стандарт 1394b включены другие новые возможности, позволяющие еще больше увели­чить скорость передачи данных.

Самовосстанавливающиеся контуры. При неправильном подключении устройств 1394b, которое приводит к образованию логической петли, интерфейс выполняет автоматическую коррекцию. Аналогичное подключение устройств 1394a делало их дальнейшую работу невозможной и требовало правильного подключения кабеля.

Пооянный сдвоенный симплекс. При использовании сдвоенных пар проводов каждая пара передает данные “своему” устройству, поэтому скорость передачи данных остает­ся постоянной.

Кабели. Поержка волоконно-оптического кабеля и сетевого кабеля CAT5, а также стандарт­ного медного кабеля 1394a и 1394b.

Конфликты. Улучшенная схема разрешения конфликтов между сигналами, которая позволяет повы­сить производительность и длину используемого кабеля.

Сетевого кабеля CAT5. Поддержка сетевого кабеля CAT5, несмотря на то что он использует пары контактов 1-2 и 7-8 только для повышения надежности. Это позволяет обойтись без применения пересекающихся кабелей.

В первых версиях стандарта IEEE-1394b используется новый 9-жильный интерфейс, со­держащий две пары сигнальных проводов. Несмотря на это, были созданы две разные версии порта 1394b, которые обеспечивают возможность подключения 1394a-совместимых уст­ройств к порту 1394b:

− бета-версия;

− двухстандартная версия.

Разъемы бета-версии используются только с устройствами 1394b, тогда как двухстандарт­ная версия поддерживает разъемы того и другого типа (т.е. 1394a и 1394b).

В то же время в задачах передачи данных конкуренцию стандарту IEEE1394 составляет интерфейс USB, обеспечивающий стабильную скорость 1 Мбайт/с. В отличие от IEEE1394, USB есть практически во всех современных ПК и, если не требуется скорость передачи выше 1 Мбайт/с, выгодно применять его.

Интерфейс I2C

Интерфейс последовательной шины I²C (Inter IС Bus - шина соединения микросхем) сопряжения микросхем бытовой электроники.

Шина I²C удобна для обмена небольшими объемами данных. В ряде современных системных плат присутствует шина SMBus, основанная на интерфейсе I²C. Эта шина используется для доступа к памяти идентификаторов и средствам термоконтроля процессоров Xeon.

По интерфейсу I²C современные мониторы обмениваются конфигурационной и управляющей ин­формацией с графическим адаптером (а через него и с центральным процессором). I²C успешно применяется для подключения считывателей карт, штрих-кодов и т. п. С по­мощью интерфейса I²C можно загружать программы в энергонезависимую память (флэш) ряда микроконтроллеров. Интерфейс I²C обеспечи­вает скорость передачи данных до 3,4 Мбит/с.

Интерфейс I²C — синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами по двум сигнальным линиям. Шина ориентирована на 8-битные передачи. Пере­дача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широко­вещательной. Для выборки устройств используется 7-битная или 10-битной адре­сация. Уровни сигналов — стандартные, совместимые с широко распро­страненной логикой ТТЛ, КМОП, n-МОП, как с традиционным питанием +5 В так и с низковольтным (+3,3 В и ниже).

Последовательный интерфейс I²C обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя 2 сигнала:

- данные SDA (Serial Data);

- синхронизацию SCL (Serial Clock).

В обмене участвуют 2 устройства:

- ведущее (Master);

- ведомое (Slave).

Протокол I²C позволяет нескольким контроллерам использовать одну шину, определяя коллизии и выполняя арбитраж. Эти функции реализуются достаточно просто: если 2 передатчика попытаются 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 (т.е. передает высокий уровень, а “видит” низкий) отказывается от дальнейшей передачи.

Последовательные интерфейсы

Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Такой способ передачи определяет название интерфейса и порта, его реализующего(Serial Interface и Serial Port). Последовательная передача данных может осуществляться в синхронном и асинхронном режимах.

Формат асинхронной посылки позволяют выявить возможные ошибки передачи. Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с. Количество бит данных может составлять 5,6,7,8 бит. Количество стоп битов может быть 1,1.5,2 бита. Асинхронный в РС реализуется с помощью СОМ-порта с использованием протокола RS-232C.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым плотно следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. В синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к быстро накапливающейся ошибке и искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии передачи для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных, при котором на приемной стороне из принятого сигнала могут быть и импульсы синхронизации. Из синхронных адаптеров в настоящее время чаще всего применяются адаптеры интерфейса V.35.

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

5.9.1 Интерфейс RS-232

Интерфейс RS-232C использует несимметричные приемники и передатчики, сигнал передается относительно общего провода (схемной земли). Интерфейс RS-232C не обеспечивает гальванической развязки устройств. В интерфейсе RS-232С оговариваются следующие электрические параметры.

Выходные сигналы:

- 0 задается диапазоном напряжения со стороны источника от +5 В до +15 В;

- неопределенное состояние – диапазон напряжения от -5 В до +5 В;

- 1 задается диапазоном напряжения от -5 В до -15 В.

Входные сигналы:

- 0 задается диапазоном напряжения со стороны приемника от +3 В до +25 В;

- неопределенное состояние – диапазон напряжения от -3 В до +3 В;

- 1 задается диапазоном напряжения от -3 В до -25 В.

Логической единице на входе приемника соответствует уровень напряжения -3 ... -12 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называют "ON", а для линий последовательных данных - "MARK". Логическому "0" соответствует напряжение +3 ... +12 В (называемое "OFF" или "SPACE", соответственно). Между уровнями +3 ... -3 В существует зона нечувствительности, обуславливающая гистерезис приемника. Состояние на выходе приемника изменяется только при пересечении напряжением порога +3 или -3 В.

Разъем и кабель порта RS232.

Стандартный последовательный порт имеет 9- контактный разъем. На рисунке 5.5 приведены назначения контактов этих разъемов.

Рисунок 5.5 - Блочная часть 9-контактного штыревого разъема

В таблице 5.6 указано назначение контактов разъема последовательного интерфейса.

Таблица 5.6 - Назначение контактов разъемов последовательного порта

На рисунках 5.6 и 5.7 показаны два типа соединения компьютера и внешнего устройства по протоколу RS232C. Стрелки показывают направление потоков данных. На рисунке 5.6 показано нуль-модемное соединение.

Рисунок 5.6 – Соединение с использованием нуль-модемного кабеля

На рисунке 5.7 изображено соединение использующее только три линии: первая – для передачи данных, вторая – для приема, третья – общая. Соединение организовано таким образом, что передаваемые данные от первого устройства поступают на приемную линию второго.

Рисунок 5.7 – Соединение при помощи трех линий

В таблице 5.7 указано назначение сигналов последовательного интерфейса.

Внутреннее аппаратное устройство.

Компьютер, совместимый с IBM PC, может иметь до четырех последовательных портов. Они маркируются как COM1-COM4. Каждый COM-порт формируется отдельным UART 16450, установленным внутри компьютера.

UART 8250/16450.

На рисунке 5.8 показано внутреннее устройство UART. В нем имеется восемь восьмибитовых регистров. Адреса ввода/вывода вычисляются добавлением смещения регистра к базовому адресу COM-порта.

Таблица 5.7 – Сигналы последовательного интерфейса

Смещения и функции регистров UART таковы:

- 00h - буферный регистр передатчика/буферный регистр приемника -используется для обмена данными;

- 01h - регистр разрешения прерывания - устанавливает режим запроса прерываний;

- 02h - регистр идентификации прерываний - проверяет режим запроса прерываний;

- 03h - регистр формата данных - устанавливает формат последовательных данных;

- 04h - регистр управления модемом - устанавливает управление модемом;

- 05h - регистр состояния приемопередатчика - содержит информацию о состоянии приемника и передатчика;

- 06h - регистр состояния модемом - содержит текущее состояние линий DCD, RI , DSR , CTS;

- 07h – регистр сверх оперативной памяти - работает как байт памяти.

Рисунок 5.8 - Внутренняя схема UART 8250/16450

Дополнительная информация представлена в приложении И.

5.9.2 Интерфейсы RS-422A, RS-423A и RS-449

Более новыми стандартами, по сравнению с RS-232, позволяющими обеспечить высокоскоростную работу на больших расстояниях, являются стандарты EIA RS-422A, RS-423A и RS-449. Соответствующими рекомендациями ITU-T для этих стандартов являются V.10 и Х.26 — для RS-423, и V.11 и Х.27 — для RS-422, V.36 для RS-449.

Интерфейс RS-422A.

Стандарт RS-422A определяет электрические характеристики симметричного цифрового интерфейса. Он предусматривает работу на более высоких скоростях (до 10 Мбит/с) и больших расстояниях (до 1000 м) в интерфейсе DTE—DCE. Для его практической реализации, в отличие от RS-232, требуется два физических провода на каждый сигнал. Реализация симметричных цепей обеспечивает наилучшие выходные характеристики.

Подобно V.28, данный стандарт является простым описанием электрических характеристик интерфейса и не определяет параметры сигналов, типы разъемов и протоколы управления передачей данных. Для линий интерфейсов RS-422A и RS-423A могут быть использованы различные проводники (или пары проводников) одного и того же кабеля.

Стандарт RS-422A был разработан совместно с RS-423A и позволяет размещать линии этих интерфейсов в одном кабеле. Он не совместим с RS-232, и взаимодействие между RS-422A и RS-232 может быть обеспечено только при помощи специального интерфейсного конвертера.

Таблица 5.8 - Электрические и временные характеристики интерфейса RS-422

Интерфейс RS-423A.

Стандарт RS-423A определяет электрические характеристики несимметричного цифрового интерфейса. "Несимметричность" означает, что данный стандарт подобно RS-232 для каждой линии интерфейса использует только один провод. При этом для всех линий используется единый общий провод. Как и RS-422A, этот стандарт не определяет сигналы, конфигурацию выводов или типы разъемов. Он содержит только описание электрических характеристик интерфейса. Стандарт RS-422A предусматривает максимальную скорость передачи 100 Кбит/с.

Таблица 5.9 - Соотношение скорости передачи и длины кабеля для стандартов

Интерфейс RS-449.

Стандарт RS-449, в отличие от RS-422A и RS-423A, содержит информацию о параметрах сигналов, типах разъемов, расположении контактов и т.п. В этом отношении RS-449 является дополнением к стандартам RS-422A и RS-423A. Стандарту RS-449 соответствует международный стандарт V.36.

Комбинация RS-449, RS-422A и (или) RS-423A первоначально предназначалась для возможной замены RS-232. Однако этого не произошло, хотя данные стандарты нашли достаточно широкое применение в качестве высокоскоростного интерфейса DTE—DCE.

Стандарт RS-449 определяет 30 сигналов интерфейса. Большинство этих сигналов имеют эквивалентные в RS-232. Кроме того, добавлен ряд новых сигналов. Обозначения большинства сигналов были изменены во избежание путаницы.

Десять сигналов RS-449 определены как линии 1-й категории. Эта группа сигналов включает в себя все основные сигналы данных и синхронизации, такие как "Передаваемые данные", "Принимаемые данные", "Синхронизация терминала". Скорость передачи сигналов 1 -и категории существенно зависит от длины кабеля. Для линий этой категории на скоростях до 20 Кбит/с могут использоваться стандарты RS-422A либо RS-423A; на скоростях выше 20 Кбит/с (до 2Мбит/с) - только RS-422A.

Оставшиеся 20 линий классифицируются как линии 2-й категории и используются стандартом RS-423A. Ко 2-й категории относятся такие управляющие линии, как "Качество сигнала", "Выбор скорости передачи" и др.

Стандарт RS-449 определяет тип разъема и, в отличие RS-232, распределение контактов разъема. Используемые разъемы имеют 37 контактов для прямого канала и 9 контактов для обратного канала.

Интерфейс RS-485.

Стандарт RS-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Association). EIA некогда маркировала все свои стандарты префиксом "RS" (рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил "RS" на "EIA/TIA" с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов. На сегодняшний день, различные расширения стандарта RS-485 охватывают широкое разнообразие приложений.