WYKŁAD nr 5 - MAGISTRALE I INTERFEJSY
Interfejsy
Interfejs (styk) - urządzenie i protokoły pozwalające na połączenie ze sobą dwóch innych urządzeń, które bez niego nie mogą współpracować
Rodzaje przesyłania danych:
Szeregowy
Równoległy
Dostęp do medium
Centralny
Rozproszony
Interfejsy
Tryby pracy:
Simplex
Half-duplex
Duplex
Połączenie urządzeń
punk-punkt
wielopunkt
Rodzaje transmisji
Synchroniczny i asynchroniczny
Złącza
Element do łączenia urządzeń elektrycznych.
Magistrala
Magistrala (ang. bus) - podsystem zajmujący się transferem danych pomiędzy urządzeniami wewnątrz komputera lub pomiędzy komputerami
Łączy klika urządzeń peryferyjnych logicznie za pomocą tego samego medium
Przewody mogą być dedykowane lub multipleksowane
Parametr użytkowy: szerokość magistrali
Magistrala systemowa
Magistrala łącząca ze sobą następujące elementy komputera:
Procesor
Pamięć operacyjną
Urządzenia I/O
Złożona z kilku linii komunikacyjnych
Przesyłanie danych w sposób sekwencyjny
Budowa magistrali systemowej
Budowa magistrali:
Linia adresów - określa adresy komponentów komunikujących się pomiędzy sobą. Procesor odwołuje się do adresu, w celu określenia urządzenia które zleciło wykonanie zadania
Linia danych (data bus) - przesyłanie danych pomiędzy poszczególnymi podzespołami komputera
Linia sterowania - regulacja dostępu do pozostałych linii
Linia zasilania -
Magistrala PCI
PCI (ang. Peripheral Component Interconnect)
Magistrala komunikacyjna służąca do przyłączania urządzeń do płyty głównej w PC
Następca magistrali ISA pod kątem szybkości wymiany danych oraz braku znaczenia jaki rodzaj jej rodzaj jest w gnieździe
Parametry użytkowe:
Szybkość taktowania, szerokość słowa, przepływność, napięcie
Np.. 33 MHz, 32 bity, 133 MB/s, 5V
Rodzaje PCI
PCI-X - częstotliwość taktowania 133 MHz
PCI-X 2.0 - częstotliwość taktowania 266 MHz i 533MHz
Mini PCI - wersja PCI 2.2 do użytku w laptopach
CardBus - wersja PCMCIA specyfikacji PCI (33 MHz i 32 bity)
AGP - interfejs dla kart graficznych
Magistrala PCI
Specyfikacja określa następujące linie sygnałowe:
Systemowe
Adresów i danych
Arbitrażu
Sterowania interfejsem
Zgłaszania przerwań
PCI Linie sygnałowe (1)
Systemowe:
CLK - zegar - sygnał synchronizujący wszystkie operacje na magistrali PCI.
RST - reset - zeruje rejestry liczniki. Działa asynchronicznie
Adresów i danych:
AD - Przełączane linie sygnałów adresowych i danych. Po każdej fazie przesyłania adresu następuje jedna lub więcej faz przesyłania danych
C/BE - Linie przełączane. W fazie przesyłania adresu przekazują kod rozkazu. W fazie przesyłania danych wykorzystywane są jako sygnały wyznaczające ścieżkę, która przesyłane są ważne bajty [3-0] danych.
PCI Linie sygnałowe (2)
Arbitrażu:
REQ - Indywidualny sygnał zadania przydziału magistrali wysyłany przez moduł nadrzędny do układu arbitrażu.
GNT - Wysyłany przez arbitra sygnał potwierdzający przyznanie modułowi nadrzędnemu prawa do magistrali. Każdy moduł nadrzędny ma swój własny sygnał GNT#.
Linie zgłaszania przerwań - INTA, INTB, INTC, INTD
PCI Linie sygnałowe
Linie sterowania interfejsem
FRAME - Sygnał generowany przez moduł nadrzędny, który uzyskał prawo do sterowania magistrala. Określa moment rozpoczęcia i czas trwania operacji: sygnał FRAME# aktywny w stanie niskim pojawia sie na początku fazy adresowej a przed ostatnim przesłaniem danych przechodzi w stan wysoki.
IRDY - Sygnalizuje, ze agent inicjujący operacje jest gotowy zakończyć bieżąca fazę przesyłania danych. Podczas operacji zapisu sygnał IRDY# wskazuje, ze dane wystawione na liniach AD[31::00] już są ważne. Podczas operacji odczytu sygnalizuje gotowość modułu nadrzędnego do odbioru informacji. Faza jest kończona, kiedy dla tego samego narastającego zbocza impulsu zegarowego sygnały IRDY# i TRDY# są w stanie niskim.
TRDY - Sygnał wysyłany przez moduł docelowy uczestniczący w operacji transmisji danych. Za jego pośrednictwem moduł informuje, że jest gotowy zakończyć bieżąca fazę przesyłania danych. Podczas operacji odczytu aktywny sygnał TRDY# oznacza, ze dane na liniach AD[31::00] sa wazne. Jesli sygnał TRDY# jest aktywny podczas operacji zapisu to wiadomo, ze moduł docelowy jest gotowy przyjac dane. Faza konczy sie kiedy sygnały IRDY# i TRDY# sa w stanie niskim podczas narastajacego zbocza impulsu zegarowego.
PCI Express
PCI-E - jest to 3rd Generation I/O
PCI-E zastąpiła PCI oraz AGP
Magistrala typu szeregowego, punkt-punkt, nie jest rozwinięciem PCI
Brak konieczności dzielenia pomiędzy klika urządzeń
Sygnał przekazywany z wykorzystaniem dwóch linii po jeden w każdym kierunku
Częstotliwość taktowania 2,5GHz
Przepustowość linii 250 MB/s, możliwość pracy w fullduplex - przepływność 500 MB/s
Kilka wariantów magistrali: 1, 2, 4, 8, 12, 16, 32 linii
Dostępne mniejsze warianty: Express Card (następca PCMCIA), PCI Express MiniCard (następca Mini PCI)
SCSI
Small Computer Interface System - równoległa magistrala danych przeznaczona do przesyłania danych
Wykorzystywany w drogich rozwiązaniach serwerowych
Urządzenia podłączone są równorzędnie. Każde urządzenie może rozpoczynać operację jak i wykonywać zleconą operację.
Każde urządzenie posiada unikatowy adres w obrębie magistrali (SCSI ID). Początkowo wykorzystywano 3 bity.
Identyfikator pełni rolę priorytetu przy rozstrzyganiu jednoczesnego dostępu więcej niż jednego urządzenia. Kontroler posiada priorytet 7
W ramach SCSI ID jest LUN (Logical Unit Number) identyfikujące tzw. urządzenie logiczne (np. w przypadku zmieniarek identyfikacja jej elementów)
SCSI
Sposób transmisji:
Synchroniczny
Asynchroniczny
Prędkość transmisji:
5, 10, 20, 80, 160
Szerokość magistrali:
8 i 16 bitów
Parametry elektryczne
ATA
Advanced Technology Attachment - standardowy interfejs do podłączania dysków, CD-ROM, etc ... wewnątrz komputera
Inne skróty to IDE, PATA (od parallel po wprowadzeniu SATA)
ATAPI - rozszerzenie ATA umożliwiające obsługę mediów wymiennych m.in. pamięci optycznych
Długość kabli do 46 cm
SATA
SATA - ang. Serial Advanced Technology Attachment
Następca równoległej magistrali ATA, cieńsze i bardziej elastyczne kable do transmisji z mniejszą liczbą styków
SATA umożliwia szeregową transmisję danych pomiędzy kontrolerem a dyskiem z max. przepustowością 1,5GBit/s. Aktualnie SATA 2 z przepustowością 3GBit/s
Do działania kontrolerów zostały wprowadzone 3 mechanizmy:
Kolejkowanie zadań - optymalizowanie odczytu i zapisu z punktu widzenia ustawienia głowic
Port Multiplier - możliwość podłączenia jednego SATA do kilku urządzeń. 1 dysk nie wykorzysta oferowanej przepływności SATA, natomiast 4 wykorzystują w pełni. Zmniejszenie liczby kabli.
Port Selector - podłączenie dwóch różnych portów do tego samego urządzenia w celu redundancji ścieżki
RS232
RS232 (Recommended Standard) opisuje sposób podłączenia urządzeń końcowych DTE (Data Terminal Equipment) i urządzeń komunikacyjnych DCE (Data Communication Equipment)
Standard określa nazwy styków łącza (wtyczki typu COM), przypisane im sygnały oraz specyfikę elektryczną.
RS 232 jest to magistrala komunikacyjna do szeregowej transmisji danych na odległość <15 m z szybkością do 20kbps akutalnie do ok. 115kbps, a specyficzne implementacje wewnętrzne do 230,4 kbps
W architekturze PC zostały przewidziane 4 porty COM
Zakres napięcia:
Dla 1 logicznej: -3V do -15V
Dla 0 logicznego: 3V do 15V
RS 232
Sygnały przesyłu danych:
RxD - odbiór danych (DCE->DTE)
TxD - nadawanie danych (DCE<-DTE)
Sygnały informujące o gotowości:
DTR - Data Terminal Ready
DSR - Data Set Ready
Kontrola przepływu danych na poziomie sprzętu:
RTS - Request To Send Data - żądanie wysłania
CTS - Clear To Send Data - gotowość do wysłania
Sygnały do sterowania modemami:
DCD - Data Carrier Detect - sygnał wykrycia nośnej
RING - Ring Indicator - wskaźnik dzwonka
Masa: GND
RS232 - Protokoły Transmisji
Tryb Asynchroniczny
Każdy bajt jest przesyłany niezależnie, poprzedzony bitem START. Dalej transmisja bitów 0-7, opcjonalnie bity parzystości, koniec bit STOP
Bity parzystości:
Liczba 1 w i-tym bicie jest parzysta (Even Parity) lub nieparzysta (Odd Parity)
Lub i-ty bit ma określoną wartość (Stick Parity)
Czas trwania bitu określony jest przez stronę wysyłającą, wykrywanie narastającego zbocza i próbkowanie w połowie długości
Wykrywanie błędów:
fałszywy start - wykrycie 1 w połowie bitu START
błąd ramki - wykrycie 0 w pół odstępu czasu po rozpoczęciu bitu STOP
RS 232 - Protokoły Transmisji
Tryb Synchroniczny
DCE podaje sygnał TxC i RxC
DTE pobiera (TxD) lub wysyła odpowiednie bity (RxD)
Rozdzielenie granicy bajtów poprzedzone sekwencją synchronizacyjną SYN
Pakiet danych rozpoczyna się od SOH natychmiast po SYN
Struktura danych określa ich przeznaczenie: tzn. dane do wyświetlenia, dane do wydrukowania, sterowanie terminalem w raz z miejscem ich końca
Opcjonalnie możliwość sprawdzenia poprawności danych: CRC lub różnica symetryczna bajtóws
Ze względu na synchroniczność transmisji przesyłanie danych w postaci pakietów
RS 232
Rodzaje złącza: 9 i 25 PIN
USB
Universal Serial Bus - uniwersalna magistrala szeregowa
Funkcjonalność pozwalająca zastąpić porty równoległe i szeregowe
Zasada działania Plug'n'Play.
Podłączone urządzenia tworzą sieć, nie zależnie od szybkości działania każdego z nich - topologia drzewiasta
Mechanizm automatycznego przydziału adresów w przeciwieństwie np. do SCSI - brak konieczności ingerencji użytkownika
Max. 127 urządzeń jednak ze wzg. na pobór mocy mniej
Magistrala wymaga jednego kontrolera magistrali (rolę pełni host). Brak możliwości połączenia dwóch komputerów, chyba że ze specjalnym układem.
Dwie wersje:
V1 - 1,5 Mbps i 12 Mbps
V2 - 480 Mbps. Formaty gniazd i styków pozostają jak V1. Możliwość łączenia starych i nowych elementów architektury. Urządzenie Translation Transaction realizuje konwersję z V1 na V2
USB
Po podłączeniu automatyczne nadanie adresu urządzeniu przez kontroler w strukturze drzewiastej
Adres: 4 bity głównego adresu (ADDR) + 4 bity podadresu (ENDP) do identyfikacji np. części obrazowej, części głosowej, etc…
Każde urządzenie w trakcie wykrywania informuje kontroler o wymaganej przepływności i rodzaju danych
Każde urządzenie identyfikowane sprzętowo za pomocą 5 bajtowego kodu
Na poziomie aplikacji komunikacja po przez kanały wirtualne (Pipes) udostępniane przez kontroler
Ścieżka 0 (Control Pipe) wykorzystywane do identyfikacji i konfiguracji urządzenia
Dostęp do magistrali zarządzany przez kontroler (możliwość ignorowania żądania)
USB - rodzaje transmisji danych
Podstawowy tryb - asynchroniczny tworzony dla danych o charakterze masowym (bulk). Brak gwarancji pasma, ani czasu transmisji - zależne od chwilowej aktywności magistrali. Zastosowanie do pamięci masowych.
Tryb synchroniczny. Przesyłanie porcji danych z określoną częstotliwością. Kontroler rezerwuje wycinek pasma w określonych odcinakach czasu w celu zagwarantowania wymagań. Np. mikrofon, kamer.
Tryb ze względu na czas przesłania informacji (Interrupt Transfer). Przesyłanie pojedynczych bajtów w trybie ekspresowym. Np. myszka,
Tryb sterujący (Control Transfer) - konfiguracja nowo podłączonych urządzeń
USB
Transmisja realizowana na dwóch przewodach D- i D+
Wtyki i złącza
FireWire
Łącze szeregowe umożliwiające szybką transmisję
Standardy transmisji: 100, 200, 400 Mbps przy długości kabla 4,5m
Znacznie szybszy i stabilniejszy niż USB2.0
Transmisja realizowana przy pomocy dwóch par (TPA+/TPA- oraz TPB+/TPB-)
Interfejs posiada linię zasilającą
Najnowszy standard przewiduje wykorzystanie połączeń optycznych do 3,5Gbps
Nie wymaga użycia komputera, czyli kontrolera magistrali. Urządzenia są równouprawnione
Problem w kwestii opłat licencyjnych na rzecz Apple (0,25 USD za każde urządzenie)
Brak popularności ze względu na brak implementacji w chipsetach Intel'a. Producent płyty musi dodatkowo integrować układ FW
Złącza FW
Pozostałe interfejsy
Sieciowe: Ethernet
Bezprzewodowe sieciowe: Wi-Fi, WiMax
Bezprzewodowe: IRDA, Bluetooth
Do zastosowań graficznych: DVI (Digital Visual Interface)