Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Реферат - Сравнительная характеристика последовательных и параллельных интерфейсов - файл 1.doc


Реферат - Сравнительная характеристика последовательных и параллельных интерфейсов
скачать (308 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc308kb.19.11.2011 22:12скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Интерфейсы подключения периферийных устройств

Большинство периферийных устройств подключаются через промежуточные периферийные интерфейсы, находящиеся на нижних уровнях иерархии подключений (на верхнем уровне — системная шина). Периферийные интерфейсы — самые разнообразные из всех аппаратных интерфейсов. К периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относятся большинство устройств хранения (дисковые, ленточные), устройств ввода-вывода (дисплеи, клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд коммуникационных устройств (внешние модемы). По назначению периферийные интерфейсы можно разделить на специализированные и универсальные, выделенные и разделяемые:

* Специализированные интерфейсы ориентированы на подключение устройств определенного узкого класса, и в них используются сугубо специфические протоколы передачи информации. Примеры — популярнейший интерфейс мониторов VGA, интерфейс накопителя на гибких дисках, традиционные интерфейсы клавиатуры и мыши, IDE/ATA и ряд других.

* Универсальные интерфейсы имеют более широкое назначение, их протоколы обеспечивают доставку данных, не привязываясь к специфике передаваемой информации. Примеры — коммуникационные порты (СОМ), интерфейс SCSI, шины USB и FireWire.

* Выделенные интерфейсы позволяют подключить к одному порту (точке подключения) адаптера (контроллера) лишь одно устройство; число подключаемых устройств ограничено числом портов. Примеры — СОМ-порт, интерфейс VGA-монитора, порт AGP, интерфейс Serial SCSI.

* Разделяемые интерфейсы позволяют подключить к одному порту адаптера множество устройств. Варианты физического подключения разнообразны:

шина (жесткая, как ISA или PCI; кабельная шина SCSI и IDE/ATA), цепочка (daisy chain) устройств (SCSI, IEEE 1284.3), логическая шина на хабах (USB) или встроенных повторителях (IEEE 1394 FireWire).

Виды передаваемой информации

Информация (данные), которую следует передавать по интерфейсам, может быть разной природы:

Аналоговая информация отображает процесс, непрерывный во времени и произвольный по величине (может принимать любое из бесконечного числа значений, пусть и в ограниченном интервале). Пример: звуки, которые мы слышим (в том числе и речь), представляют собой непрерывное изменение давления. Передача такой информации осуществляется, например, при подключении микрофона (устройства, преобразующего изменения давления в изменения электрического напряжения) к компьютеру.

Дискретная информация отображает процесс конечным числом значений. Элементарная единица дискретной информации — 1 бит, который может принимать лишь одно из двух логических значений: 1 (истина, «да») или 0 (ложь, «нет»). Одним битом, к примеру, можно отобразить состояние кнопки мыши — нажата или нет. Дискретная двоичная информация является «родной» для большинства компьютеров, поскольку ее проще всего получать, обрабатывать, хранить и передавать. Дискретная информация может быть не только двоичной — интересны, например, и троичные системы; состояние одного трита можно трактовать как «да», «нет», «не знаю».

Цифровая информация представляет собой последовательность (набор) чисел, имеющих ограниченную разрядность (и соответственно, конечное число возможных значений). Пример — оцифрованный звук, являющийся последовательностью отсчетов мгновенных значений давления, взятых через равные интервалы времени.

Дискретную и цифровую информацию не всегда корректно различают (и не всегда это требуется), поскольку «выглядит» она похоже: в двоичной системе та и другая представляет собой наборы ноликов и единичек. Важным отличием цифровых данных является осмысленность сравнения значений по условиям «больше-меньше». Цифровая информация является особым видом дискретной. Для передачи данных по различным интерфейсам наиболее существенно разделение на аналоговые (непрерывные) и дискретные данные.

Для того чтобы передавать данные, их нужно представить в виде сигнала — физического процесса (электрического, оптического, электромагнитного, хотя возможны и другие). Сигналы могут быть различных типов: аналоговые (непрерывные), дискретные, цифровые. Заметим, что тип сигнала может и не соответствовать типу передаваемых данных. Так, аналоговый сигнал телефонного модема несет дискретные (цифровые) данные. Тип и природа используемого сигнала определяются требованиями к интерфейсу: дальностью связи, скоростью передачи данных, надежностью, достоверностью, безопасностью, стоимостью, удобством подключения, энергопотреблением и др.

Для преобразования информации из цифровой в аналоговую форму в виде напряжения (иногда тока) используют цифро - аналоговые преобразователи (ЦАП). Их используют в системах управления технологическими процессами, в аналоговых микропроцессорах, в дисплеях, графопосторителях и роботехнике.

Цифро-аналоговое преобразование представляет собой то , что для входящего параллельного n - розрядного кода

,

где Хi – цифры 0 или 1, а - вес i- го розряда, сначала получают ток, пропорциональный значению числа Х, а потом преобразуют его в исходящее напряжение. Значение тока определяется суммой эталонных токов , которые создаются для каждого розряда числа

, при чем суммируются токи только тех розрядов, для которых =1. Значение эталонов тока пропорциональны весу позиции двоичного числа и уменьшаются в 2 раза при переходе от старшего i- го розряда к соседнему меньшему с номером i+1.

Естественно, что ЦАП также имеют свои интерфейсы. Рассмотрим подробнее.

Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей

    Важную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов, "иголок", в выходном сигнале при смене кода.

    При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой управляющие входы ключей ЦАП могут быть непосредственно подключены к выходам цифровых устройств, поэтому во многих моделях ИМС ЦАП, особенно ранних (572ПА1, 594ПА1, 1108ПА1, AD565А и др.), сколь-нибудь существенная цифровая часть отсутствует. Если же ЦАП входит в состав микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных данных.
^

ЦАП с последовательным интерфейсом входных данных


    Такой преобразователь содержит на кристалле помимо собственно ЦАП дополнительно также последовательный регистр загрузки, параллельный регистр хранения и управляющую логику (рис. 13а). Чаще всего используется трехпроводный интерфейс, который обеспечивает управление ЦА-преобразователем от SPI, QSPI, MICROWIRE интерфейсов процессоров. При активном уровне сигнала CS (в данном случае - нулевом) входное слово длины N (равной разрядности ЦАП) загружается по линии DI в регистр сдвига под управлением тактовой последовательности CLK. После окончания загрузки, выставив активный уровень на линию LD, входное слово записывают в регистр хранения, выходы которого непосредственно управляют ключами ЦАП. Для того, чтобы иметь возможность передавать по одной линии данных входные коды в несколько ЦАП, последний разряд регистра сдвига у многих моделей ЦАП с последовательным интерфейсом соединяется с выводом ИМС DO. Этот вывод подключается ко входу DI следующего ЦАП и т.д. Коды входных слов передаются, начиная с кода самого последнего преобразователя в этой цепочке.

    В качестве примера на рис. 13б представлена временнaя диаграмма, отражающая процесс загрузки входного слова в ЦАП AD7233. Минимально допустимые значения интервалов времени (порядка 50 нс), обозначенных на временных диаграммах, указываются в технической документации на ИМС.





На рис. 14 приведен вариант схемы подключения преобразователя с последовательным интерфейсом к микроконтроллеру (МК). На время загрузки входного слова в ЦАП через последовательный порт микроконтроллера, к которому могут быть также подключены и другие приемники, на вход CS (выбор кристалла) подается активный уровень с одной из линий ввода-вывода МК. После окончания загрузки МК меняет уровень на входе CS, как это показано на рис. 8.13б, и, выставив активный уровень на входе LD ЦАП, обеспечивает пересылку входного кода из регистра сдвига ЦАП в регистр хранения. Время загрузки зависит от тактовой частоты МК и обычно составляет единицы микросекунд. В случае, если колебания выходного сигнала ЦАП во время загрузки допустимы, вход LD можно соединить с общей точкой схемы.

    Минимальное количество линий связи с ЦАП обеспечивается двухпроводным интерфейсом I2C. Этим интерфейсом оснащаются некоторые последние модели ЦАП, например, AD5301. Адресация конкретного устройства осуществляется по линии данных.
^

ЦАП с параллельным интерфейсом входных данных


Чаще используются два варианта. В первом варианте на N входов данных N-разрядного ЦАП подается все входное слово целиком. Интерфейс такого ЦАП включает два регистра хранения и схему управления (рис. 15а). Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и установка выходного аналогового сигнала, соответствующего этому коду, должны быть разделены во времени. Подача на вход асинхронного сброса CLR сигнал низкого уровня приводит к обнулению первого регистра и, соответственно выходного напряжения ЦАП.



 Пример блок-схемы подключения 12-ти разрядного ЦАП МАХ507 к 16-ти разрядному микропроцессору (МП) приведен на рис. 16. процессор посылает входной код в ЦАП как в ячейку памяти данных. Вначале с шины адрес/данные поступает адрес ЦАП, который фиксируется регистром по команде с выхода ALE микропроцессора и, после дешифрации, активизирует вход CS ЦАП. Вслед за этим МП подает на шину адрес/данные входной код ЦАП и затем сигнал записи на вход WR (см. рис. 15б).



Для подключения многоразрядных ЦАП к восьмиразрядным микропроцессорам и микроконтроллерам используется второй вариант параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух параллельных загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова МБ и старшего байта - СБ (рис. 17). Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последовательности.



Теперь рассмотрим более подробно, что представляют собой параллельные и последовательные интерфейсы

Параллельные и последовательные интерфейсы

Для компьютеров и связанных с ними устройств наиболее распространенной является задача передачи дискретных данных, и, как правило, в значительных объемах (не один бит). Самый распространенный способ представления данных сигналами — двоичный: например, условно высокому (выше порога) уровню напряжения соответствует логическая единица, низкому — логический ноль (возможно и обратное представление). Один двоичный сигнал за один квант времени передает один бит информации. Как говорилось ранее, процессор с периферийными устройствами обменивается байтами (8 бит), словами (в мире х86 — 16 бит), двойными словами (32 бита) данных. Для того чтобы передавать группу битов, существует два подхода к организации интерфейса:

Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита).

Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

На первый взгляд, организация параллельного интерфейса проще и нагляднее (не надо выстраивать биты в очередь на передачу и собирать байты из принятой последовательности битов). Также, на первый взгляд, параллельный интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор был прост: на ближних расстояниях (максимум — до пары десятков метров) при требованиях к высокой скорости использовали параллельные интерфейсы, а на дальних расстояниях или в случае неприемлемости параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи.

Теперь точнее рассмотрим скорость передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже проглядывают преимущества последовательного интерфейса: для него затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность интерфейса, как в случае параллельного интерфейса.

В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп и для каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемно-передающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров.

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1-traDMA) и прошла уже и по SCSI (Ultra160 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (географически) точках временные соотношения между сигналами данных и синхронизации будут различными.

Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большие требуются скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.

В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемно-передающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности». Устраивать же параллельный оптический интерфейс -слишком дорогое удовольствие.

Приведенные соображения объясняют тенденцию перехода на последовательный способ передачи данных.

Сравнительная характеристика последовательной шины USB и параллельного порта подключения LPT

USB( Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Является промышленным стандартом расширения архитектуры РС, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Спецификация USB 1.0 была опубликована в январе 1996.

Архитектура USB определялась следующими критериями:

* Легко реализуемое расширение периферии РС.

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

* Полна поддержка в реальном времени передачи аудио и сжатых видео данных.

* Гибкость протокола для смешанной передачи изоморфных данных и асинхронных сообщений.

* Интеграция в технологию выпускаемых устройств.

* Доступность в РС всех конфигураций и размеров.

* Открытие новых классов устройств, расширяющих РС.

С точки зрения пользователя привлекательны такие черты USB:

~ Простота кабельной системы подключений.

~ Изоляция подробностей электрических подключений от пользователя.

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

~Возможность динамического подключения и реконфигурирования периферии.

^ СТРУКТУРА И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИСТЕМЫ USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером (сервером, установленном в узлах сети, решающий вопросы коммуникации и доступа к сетевым ресурсам) и множеством одновременно доступных периферийных устройств. Распределение пропускной способности шины между подключенными устройствами планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств - динамическое ("горячее") подключение и отключение.

Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций(конфигурирование и сброс) и стандартное представление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и "функции" и хабы(или концентратор - многопортовой репитер – устройство, физически расположенное в сети, с двумя или более портами).

Работой всей системы USB управляет хост-контроллер, являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной «звезды». Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или хаб с функцией. В системе USB имеется только один хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов USB.

Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом( root hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов. Логически устройство подключенной к любому хабу и сконфигурированное может рассматриваться как подключенное напрямую к хост-контроллеру.

"Функции" представляют собой устройства USB, способные принимать или передавать данные или управляющую информацию по шине. Физически в одном корпусе может быть несколько "функций" со встроенным хабом обеспечивающим их подключение к одному порту.

Каждая "функция" предоставляет конфигурационную информацию, описывающую его возможности и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом - ей должна быть выделена полоса в канале выбраны специфические опции конфигурации.

Хаб - ключевой элемент системы Plug-and-Play в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором, точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура подразумевает возможность соединения нескольких хабов.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB делится на интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, взаимодействие между ними показано на рисунке 1.

рис. 1

1. Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее функции, интересующие пользователя.

2. Client SW - программное обеспечение, соответствующее конкретному устройству , исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

3. USB System SW - системная поддержка USB операционной системой, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

USB Host Controller - аппаратные и программные средства, обеспечивающие подключение устройств USB к хост-компьютеру.

^ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС

Информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по четырехпроводному кабелю, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Для сигнала используется дифференциальный способ передачи по двум проводам D+ и D-. Уровни 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 -0.5...+3.8 В. Передатчики должны иметь возможность перехода в высокоимпедансное состояние для обеспечения двунаправленной полудуплексной передачи данных по одной паре проводов.

Передача по двум проводам 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 Diff1 определяются 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 K State - состояния передаваемого бита ( определяются через состояния Diff0 и Diff1).

° 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 "K").

° 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, для полной и низкой скоростей состояния Diff0 и Diff1 имеют противоположное назначение. В декодировании состояние 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 12 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. Одна и та же система может использовать оба режима, переключение для устройств осуществляется прозрачно. Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством устройств, не требующих высокой пропускной способности канала.

Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков. Сигналы кодируются по методу NRZI ( Non Retur n To Zero Invert ) - при переходе сигнала из 0 в 1 сигнал NRZI не изменяется, а при переходе из 1 в 0 - изменяется на противоположный. Каждому пакету предшествует поле SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика.

Кроме сигнальной пары кабель имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5В к устройствам.

Питание устройства USB возможно как от кабеля так и от собственного блока питания.

Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему устройства. Каждый хаб обеспечивает питание устройств, подключенным к его нисходящим портам.

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

^ СИСТЕМНОЕ КОНФИГУРИРОВАНИЕ

USB поддерживает подключение и отключение устройств во время работы шины. Нумерация устройств шины является постоянным процессом отслеживающим динамические изменения физической топологии.

Все устройства USB подключаются через порты хабов. Хабы определяют подключение и отключение устройств к своим портам и сообщают состояние портов в ответ на запрос от контроллера. Хост разрешает работу порта и адресуется к устройству через канал управления используя свой нулевой адрес - USB default address. Все устройства адресуются этим адресом при начальном подключении или после сброса.

Хост определяет, является подключенное устройство хабом или функцией и назначает ему уникальные адрес USB. Хост устанавливает с этим устройством канал управления используя назначенный адрес и нулевой номер точки назначения.

Если новое устройство является хабом, хост определяет подключенные к нему устройства устанавливает каналы и назначает для них адреса. Если новое устройство является "функцией" уведомление о подключении предается диспетчером USB соответствующему ПО.

Когда устройство отключается, хаб автоматически запрещает использование соответствующего порта и сообщает об отключении контроллеру, который удаляет сведения о данном устройстве из всех структур данных. Если отключается хаб, то процесс удаления повторяется для всех подключенных к нему устройств.

Нумерация устройств, подключенных к шине, осуществляется динамически по мере подключения или отключения их питания без какого-либо вмешательства пользователя или клиентского ПО. Процедура нумерации выполняется следующим образом:

1. Хаб, к которому подключилось устройство, информирует хост о смене состояния своего порта ответом на опрос состояния. С этого момента устройство переходит в состояние "Attached" ("присоединено"), а порт, к которому оно присоединено, в состояние "Disabled".

2. Хост уточняет состояние порта.

3. Узнав порт, к которому подключилось новое устройство, хост дает команду сброса и разрешения порта.

4. Хаб формирует сигнал RESET для данного порта (10 мс) и переводит его в состояние "Enabled". Подключенному устройству позволяется потреблять от шины ток питания в пределах 100 мА. Устройство переходит в состояние Powered, все его регистры переводятся в исходное состояние, и оно отзывается на обращение по нулевому адресу.

5. До тех пор пока устройство не получит уникальный адрес, оно доступно по дежурному каналу, по которому хост-контроллер может определять максимально допустимый размер поля данных пакета.

6. Хост сообщает устройству его уникальный адрес, и оно переходит в состояние "Addressed".

7. Хост считывает все конфигурации устройства, включая и заявленный ток потребления от шины.

8. Исходя из полученной информации, хост конфигурирует все имеющиеся конечные точки данного устройства, которое переводится в состояние Configured. Теперь хаб позволяет устройству потреблять устройству от шины полный ток, заявленный в конфигурации. С точки зрения устройства оно становится готовым к использованию.

Когда устройство отделяется от шины, хаб уведомляет об этом хост и работа порта запрещается, а хост обновляет свою текущую топологическую информацию.

^ ТИПЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

USB поддерживает несколько режимов связи, как однонаправленных, так и двунаправленных. Передача данных производится между ПО хоста и конкретной конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них устанавливается независимо от других.

В архитектуре USB существуют четыре типа передаваемых данных:

1. Управляющие посылки (Control transfers)- используются для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт для полной скорости и 8 байт для низкой.

2. Сплошные передачи (Bulk Data Transfer) сравнительно больших пакетов бе жестких требований ко времени доставки. Эти передачи занимают всю свободную полосу пропускания шины не занятую другими классами передач. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостановиться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи.

3. Прерывания (Interrupts) - короткие (до 64 байт на полной скорости и до 8 на низкой ) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс для низкой.

4. Изохронные передачи - непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора - недействительные пакеты просто игнорируются.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом и если установка нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Архитектура USB предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, что бы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала единиц миллисекунд.

Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек с системой: различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

USB 2.0

В октябре 1999 года разработчики аппаратных средств, ранее опубликовавшие спецификацию USB 1.1 (Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC и Philips), представили спецификацию USB 2.0, в которой предусмотрено повышение быстродействия шины в 40 (480 Мбит/с) раз по сравнению с предыдущими версиями. USB 2.0 будет полностью совместима с USB 1.1, и будет использовать те же самые кабели и соединители. Ранее объявлялось повышение быстродействия в 10 - 20 раз, но испытания показали, что пропускная способность 480 Мбит/с может быть достигнута без ущерба для совместимости с версией USB 1.1. Ожидается, что эта пропускная способность будет удовлетворять требованиям всех пользователей в ближайшем будущем.

Разработчики считают, что появление этой версии шины окажет мощное влияние на появление периферийных устройств следующего поколения.

Пропускной способности 12 Мбит/с вполне хватает таким периферийным устройства как телефоны, клавиатуры, мыши, цифровые джойстики, приводы гибких дисков, цифровые колонки, и принтеры нижнего уровня. Возможность подключения этой периферии в USB 2.0 сохранится. Более высокая полоса пропускания позволит использовать более современные устройства, такие как , видеокамеры высокого разрешения, сканеры и принтеры следующего поколения, скоростные внешние накопители. Ожидается, что USB 2.0 будут поддерживаться чипсетами ведущих производителей наряду с USB 1.1. Так же как и USB 1.1 USB 2.0 будет позволять подключать периферийные устройства к всем классам персональных компьютеров. Для применения в системах требующих экономного расхода электроэнергии ( таких как ноутбуки и т.д.) в USB 2.0 как и в USB 1.1 предусмотрена мощная система управления питанием, что, как ожидается, откроет для USB 2.0 рынок мобильных компьютеров.

Спецификация USB 2.0 выпущена в апреле 2000 года.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed.

Для этих устройств регламентировано три режима работы:

Low-speed, 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики)

Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)

Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

На сегодня для USB 2.0 существует лишь один солидный конкурент, это IEEE 1394.

^ НЕДОСТАТКИ USB

Хотя в пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой не удаётся. Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

Параллельный интерфейс: LPT-порт

Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера —LP’T-порт (Line PrinTer — построчный принтер).

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются от­носительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являют­ся 386h, 378h и 278h. Порт имеет внешнюю 8-битную шину дан­ных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сиг­налов.

BIOS поддерживает до четырех LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом — прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтерами по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа, инициа­лизацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.

^ Традиционный LPT-порт

Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является одно­направленным портом, на базе которого программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт обеспечивает возможность вырабатывания запроса ап­паратного прерывания по импульсу на входе АСК#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом. Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 1) соответствуют интерфейсу Centronics.

Таблица 1.

Разъем стандартного LPT-порта

Контакт DB-25S

Провод шлейфа

Назначение

I/O*

Reg.Bit**

Сигнал

1

1

0/1

CR: 0\

Strobe#

2

3

0(1)

DR:0

Data 0

3

5

0(1)

DR: 1

Data 1

4

7

0(1)

DR: 2

Data 2

5

9

0(1)

DR:3

Data 3

6

11

0(1)

DR: 4

Data 4

7

13

0(1)

DR:5

Data 5

8

15

0(1)

DR:6

Data 6

9

17

0(1)

DR:7

Data 7

10

19

I

SR: 6

Ack#

11

21

I

SR: 7\

Busy

12

23

I

SR: 5

PaperEnd

13

25

I

SR: 4

Select

14

2

0/1

CR: 1\

Auto LF#

15

4

I

SR: 3

Error#

16

6

0/1

CR: 2

Init#

17

8

0/1

CR:3\

Select In#

18-25

10, 12, 14, 16

18, 20, 22, 24, 26

-

-


^

Расширения параллельного порта


Недостатки стандартного порта частично устраняют новые типы портов, поя­вившихся в компьютерах семейства PS/2.

Двунаправленный порт 1 (Typel parallel port) — интерфейс, введенный с PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит: при CR.5=0 буфер данных работает на вывод, при CR.5=1 — на ввод.

^ Порт с прямым доступом к памяти (Type 3 DMA parallel port) применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Этот тип был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, рабо­тающей с данным портом, требовалось только задать блок данных в памяти, подлежащих выводу, и вывод по протоколу Centronics производился без участия процессора.
^

Физический и электрический интерфейс


Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и пе­редатчиков сигналов.

К передатчикам предъявляются следующие требования:

Уровни сигналов без нагрузки не должны выходить за пределы -0,5... +5,5 В.

Уровни сигналов при токе нагрузки 14 мА должны быть не ниже +2,4 В для высокого уровня (voh) и не выше +0,4 В для низкого уровня (vol) на постоянном токе.

Выходной импеданс ro, измеренный на разъеме, должен составлять 50(±)5 Ом на уровне voh-vol. Для обеспечения заданного импеданса в некоторых случаях используют последовательные резисторы в выходных цепях передатчика. Согласование импеданса передатчика и кабеля снижа­ет уровень импульсных помех.

Скорость нарастания (спада) импульса должна находиться в пределах 0,05-0,4 В/нс.

Требования к приемникам:

Допустимые пиковые значения сигналов -2,0...+7,0.

Пороги срабатывания должны быть не выше 2,0 В (vih) для высокого уровня и не ниже 0,8 В (vil) для низкого.

Приемник должен иметь гистерезис в пределах 0,2-1,2 В.

Входной ток микросхемы не должен превы­шать 20 мкА.

Входная емкость не должна превышать 50 пФ.

Стандарт IEEE 1284 определяет три типа используемых разъемов. Типы Л (DB-25) и В (Centronics-36) используются в традиционных кабелях подклю­чения принтера, тип С новый малогабаритный 36-контактный разъем.

Интерфейсные кабели, традиционно используемые для подключения принте­ров, обычно имеют от 18 до 25 проводников, в зависимости от числа провод­ников цепи GND.

Стандарт IEEE 1284 регламентирует и свойства кабелей:

Все сигнальные линии должны быть перевитыми с отдельными обратны­ми (общими) проводами.

Каждая пара должна иметь импеданс 62(±)6 Ом в частотном диапазоне 4-16 МГц.

Уровень перекрестных помех между парами не должен превышать 10%.

Кабель должен иметь экран (фольгу), покрывающий не менее 85% внеш­ней поверхности. На концах кабеля экран должен быть окольцован и со­единен с контактом разъема.

Кабели, удовлетворяющие этим требованиям, маркируются надписью IЕЕЕ Std 1284-1994 Compliant». Они могут иметь длину до 10 метров.
^

Режимы передачи данных


Стандарт IEEE 1284 определяет пять режимов обмена, один из которых пол­ностью соответствует традиционному стандартному программно-управляемому выводу по протоколу Centronics. Остальные режимы используются для расшире­ния функциональных возможностей и повышения производительности интерфей­са. Стандарт определяет способ согласования режима, по которому программное обеспечение может определить режим, доступный и хосту (в нашем случае это PC), и периферийному устройству.

Режимы нестандартных портов, реализующих протокол обмена Centronics аппаратно («Fast Centronics, «Parallel Port FIFO Mode»), могут и не являться режимами IEE1284, несмотря на наличие в них черт ЕРР и ЕСР.

При описании режимов обмена фигурируют следующие понятия:

Хост компьютер, обладающий параллельным портом.

ПУ периферийное устройство, подключаемое к этому порту (им может оказаться и другой компьютер). обозначениях сигналов Ptr обозначает передающее периферийное устройство.

Прямой канал канал вывода данных от хоста в ПУ.

Обратный канал канал ввода данных в хост из ПУ.
^

Неисправности и тестирование параллельных портов


Тестирование параллельных портов целесообразно начинать с проверки их наличия в системе. Список адресов установленных портов обычно появляется в таблице заставки, выводимой BIOS на экран перед загрузкой ОС. Кроме этой таблицы, список можно посмотреть и с помощью тестовых программ или прямо в BIOS DATA AREA с помощью любого отладчика.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, скорее всего, каким-либо двум портам присвоен один адрес. Программное тестирование порта без диагностической заглушки (Loop Back) не покажет оши­бок, поскольку при этом читаются данные выходных регистров, а они у всех конфликтующих (по отдельности исправных портов) совпадут. Именно такое тестирование и производит BIOS при проверке на наличие портов. Разбираться с такой ситуацией имеет смысл последовательно устанавливая порты и наблю­дая за адресами, появляющимися в списке.

Если физически установлен только один порт и его не обнаруживает BIOS, то либо он отключен при конфигурировании, либо вышел из строя скорее всего из-за нарушений правил подключения.

Тестирование портов с помощью диагностических программ позволяет про­верить их выходные регистры, а при использовании специальных заглушек — и входные линии. Поскольку количество выходных линий порта (12) и входных (5) различно, то полная проверка порта с помощью пассивной заглушки прин­ципиально невозможна. Разные программы тестирования требуют применения специально на них ориентированных заглушек (рис. 1),




Рис. 1. Схема заглушки для тестирования LPT-порта программой Checkit

Большинство неприятностей при работе с LPT-портами доставляют разъемы и кабели. Для проверки порта, кабеля и принтера можно воспользоваться специальными тестами из популярных диагностических программ (Checkit, PCCheck и т. п.), а можно вывести на принтер какой-либо сим­вольный файл.

Если вывод файла с точки зрения DOS проходит (копирование файла на устройство с именем LPTn или PRN проходит быстро и успешно), а принтер (исправный) не напечатал ни одного символа — скорее всего, это обрыв (неконтакт в разъеме) цепи STROBES.

Если принтер по своему индикатору находится в состоянии On Line, a появляется сообщение о его неготовности (Not Ready Error), то причину следует искать в линии Busy.

Если принтер искажает информацию при печати, возможен обрыв (или замыкание) линий данных. В этом случае удобно воспользоваться фай­лом, содержащим последовательность кодов всех печатных символов (его можно создать с помощью простой программы, написанной даже на языке Basic).Пример программы:

10 OPEN "bincod.chr" FOR OUTPUT AS #1

20 FORJ=2T015

30 FOR 1=0 ТО 15

^ 40 PRINT#1, CHR$(16*J+I);

50 NEXT I 60 PRINT#1,

70 NEXTJ

80 CLOSE #1

90 END

Файл BINCOD.CHR, созданный данной программой, представляет собой таблицу всех печатных символов (управляющие коды пропущены), расположен­ных по 16 символов в строке. Если файл печатается с повтором некоторых символов или их групп, по периодичности повтора можно легко вычислить оборванный провод данных интерфейса. Этот же файл удобно использовать для проверки аппаратной руссификации принтера.

Если принтер, подключенный к порту, в стандартном режиме (SPP) печа­тает нормально, а при переходе на ЕСР начинаются сбои, следует прове­рить кабель — соответствует ли он требованиям IEEE 1284. Кабели с неперевитыми проводами нормально работают на скоростях 50-100 Кбайт/с, но при скорости 1-2 Мбайт/с, обеспечивае­мой ЕСР, они могут не работать, особенно при длине более 2 метров.

Если при установке драйвера РпР-принтера появилось сообщение о необходимости применения «двунаправленного кабеля», проверьте нали­чие связи контакта 17 разъема DB-25 с контактом 36 разъема Centronics.

^ Аппаратные прерывания от LPT-порта используются далеко не всегда. Неисправности, связанные с цепью прерывания от порта, проявляются не часто. Однако по-настоящему многозадачные ОС (например, сервер NetWare) стара­ются работать с портом именно по прерываниям. Тестировать линию прерывания можно, только подключив к порту периферийное устройство или специаль­ную заглушку.


Скачать файл (308 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации