Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные средства сбора и обработки информации. Учебное пособие
.pdf
Для подтверждений приема, управления потоком и сигнализации
ошибок используются пакеты квитирования (handshake packets). При этом
хост-контроллер может посылать устройству только пакет ACK, подтверждающий безошибочный прием пакета данных, а устройства для ответа
хосту могут использовать все пакеты квитирования, указанные в табл. 2.3.
Каждый кадр USB имеет свой номер. Номер кадра увеличивается
циклически во время запрещения передачи EOF. При этом хост планирует
кадры таким образом, чтобы можно было осуществлять транзакции
управления и прерывания.
2.6.4. Физический интерфейс
В стандарте USB описаны также механические и электрические параметры шины.
Обмен данными осуществляется по кабелю с четырьмя проводниками. Шина USB использует дифференциальный способ передачи сигналов
по линиям D+ и D–. Диапазон допустимых входных напряжений на приемниках находится в пределах –0,5...+3,8 В. При этом уровню логической
единицы соответствует напряжение выше 2,8 В, а уровню логического нуля – напряжение ниже 0,3В. Также передатчики должны иметь режим высокоимпедансного состояния для обеспечения двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.
При обмене данными в шине USB используются не только дифференциальные сигналы. Кроме дифференциальных приемников каждое
устройство имеет линейные приемники сигналов на линиях D+ и D–,
а управление передатчиками этих линий осуществляется индивидуально.
Это дает возможность различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния определяются
сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов. Кроме того, для
распознавания состояний Connect, Disconnect и Reset учитывается время
нахождения линий в определенных состояниях.
Для питания подключенных к шине устройств кабель имеет линии
VBus и GND. Напряжение питание составляет 5В, при этом потребляемый
устройством ток не должен превышать 500 мА для USB 2.0 и 900 мА для
USB 3.0. Диаметр сечения проводников должен обеспечивать гарантированные уровни сигналов и питающего напряжения и определяется длиной
сегмента кабеля.
41
Стандарт определяет два типа разъемов (табл. 2.4 и рис. 2.19).
Контакт
Цепь
Контакт
Цепь
1
VBus
3
D+
2
D-
4
GND
Таблица 2.4
а б в
Рис. 2.19. Гнезда USB: а – типа «А»; б – типа «В»;
в – символическое обозначение
Разъемы типа «А» применяются для подключения к хабам (Upstream
Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от
устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются
на нисходящих портах (Downstream Port) хабов.
Разъемы типа «В» (Downstream Connector) устанавливаются на
устройствах, с отсоединяемым кабелем (принтеры и сканеры). Ответная
часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа «А».
Разъемы типов «А» и «В» конструктивно различаются (рис. 2.19), что
исключает петлевое соединение портов хабов. Кроме того, разъемы имеют
ключи, которые исключают неправильное присоединение кабеля. Поскольку шина USB позволяет горячее подключение устройств, то конструкция разъемов обеспечивает более позднее соединение и более раннее
отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими.
Питание устройств USB возможно от шины или от собственного блока питания. Корневой хаб обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему периферийные устройства, а каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим
портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение
хабов, питающихся от шины.
42
2.7. ШИНА PCI-EXPRESS
PCI-Express (PCI-E) – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол,
основанный на последовательной передаче данных. Она является симметричной, двунаправленной (bi-directional) шиной, позволяющей обеспечить
передачу данных со скоростью до 2,5 ГБ/с.
В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных топологию «общая шина», PCI-Express использует топологию типа «звезда».
Взаимодействие между устройствами PCI-Express осуществляется через
среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа «точка-точка» с коммутатором [6].
Шина PCI-Express поддерживает:
− горячую замену карт;
− гарантированную полосу пропускания (QoS);
− управление энергопотреблением;
− контроль целостности передаваемых данных.
Официально первая базовая спецификация PCI-Express появилась
в июле 2002 г. В 2007 г. была выпущена спецификация PCI-Express 2.0.
Шина PCI-Express применяется в качестве локальной шины персонального компьютера, так как программная модель PCI-Express во многом
унаследована от PCI. Фактически шина PCI-Express заменила в персональном компьютере шины PCI и AGP, хотя в силу большого распространения устройств, подключаемых к шине PCI, эта шина еще встречается
в новых компьютерах. На рис. 2.20 показаны слоты шин PCI-Express
и PCI.
Рис. 2.20. Фотография слотов шин PCI-Express и PCI
43
Для подключения устройства PCI-Express используется двунаправленное последовательное соединение типа «точка-точка», которое называется lane. Это является основным отличием шины PCI-Express от шины
PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине.
Соединение между двумя устройствами PCI-Express называется link
и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x
и 32x) двунаправленных последовательных соединений. Каждое устройство должно поддерживать как минимум соединение 1x.
На физическом уровне соединение lane представляет собой две диффе-
ренциальные пары с частотой 2,5 ГГц и используется метод кодирования
8B/10B (на 8 бит данных по каналу передается 10 бит, поэтому реальная
скорость передачи на 20 % меньше из-за избыточных битов), который
позволяет увеличить помехозащищённость. Спецификация PCI-Express
также поддерживает алгоритм скремблинга для улучшения синхронизации. Использование подобного подхода позволяет карте PCI-Express помещаться и корректно работать в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта 1х будет работать в слотах 16х и
4х). При этом шина PCI-Express использует максимальное количество
lane, доступных как для слота, так и для карты. При этом обратной совместимости нет. То есть устройство с PCI-E 16х физически не сможет подключиться к слоту 1х несмотря на то, что теоретически она могла бы, используя только один lane, работать в слоте PCI-E 1х.
Передача всей управляющей информации, включая прерывания, в ши-
не PCI-Express осуществляется через те же линии, что используются для
передачи данных. Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCI-Express вполне сравнимы
с таковыми для шины PCI.
Пропускная способность соединения lane составляет 2,5 Гбит/с. Для
расчета общей пропускной способности шины необходимо учитывать то,
что в каждом соединении передача дуплексная, а также то, что применение кодирования 8B/10B (8 бит в 10) снижает скорость передачи.
44
2.8. ИНТЕРФЕЙС SATA
Интерфейс SATA (англ. Serial ATA) – последовательный интерфейс
обмена данными с накопителями информации (как правило, с жёсткими
дисками). SATA является развитием интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).
Шина интерфейса SATA/150 работает на частоте 1,5 ГГц. Пропускная
способность этой шины составляет 1,2 Гбит/с или 150 МБ/с. Потеря 20 %
производительности происходит из-за использования системы кодирования 8B/10B. При таком кодировании на каждые 8 информационных бит
приходится 2 служебных бита. Пропускная способность SATA/150 не
намного превосходит пропускную способность шины Ultra ATA
(UDMA/133). Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной, что сказывается на ширине соединительного кабеля, в который входят две витые пары, экранированные специальными за проводниками. Несмотря на то, что
последовательный способ обмена теоретически медленнее параллельного,
более высокая тактовая частота компенсирует этот недостаток.
Шина интерфейса SATA/300 (SATA II) работает на частоте 3 ГГц
и обеспечивает пропускную способность до 2,4 Гбит/с (300 МБ/с). Этот интерфейс впервые был реализован в контроллере чипсета nForce 4 фирмы
NVIDIA. Теоретически устройства SATA/150 и SATA/300 полностью совместимы за счёт поддержки согласования скоростей, однако для некоторых
устройств и контроллеров требуется ручное выставление режима работы.
В 2009 г. вышел протокол SATAIII с пропускной способностью
600 МБ/с.
В SATA вместо 40-контактного разъёма PATA используется 7-контактный разъём, за счет чего SATA-кабель имеет меньшую площадь, что
приводит к уменьшению сопротивления воздуху, обдувающему комплектующие компьютера и, следовательно, к улучшению охлаждения системы.
Разъём питания SATA, в отличии от РАТА поддерживает три напряжения питания: +12В, +5В и +3,3В, но поскольку многие современные
устройства могут работать без напряжения +3,3В, имеется возможность
использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания
РАТА на SATA (рис. 2.21).
45
а б
Рис. 2.21. Фотографии разъема питания SATA (а)
и разъема данных SATA (б)
На физическом уровне используется полнодуплексная дифференци-
альная передача информации по двум экранированным витым парам.
В интерфейсе SATA к одному порту в отличие от PATA подключает-
ся только одно устройство, что снимает проблему невозможности одновременной работы устройств, находящихся на одном кабеле (и возникавших отсюда задержек), уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует).
Стандарт SATA предусматривает «горячую», то есть без отключения,
замену устройств.
2.9. ИНТЕРФЕЙС I2C
Последовательный протокол обмена данными I2C (Inter-Integrated
Circuits, межмикросхемное соединение) используется для обмена данными как между различными устройствами, так и внутри одного устройства.
Протокол был разработан в 1992 г. фирмой Philips. В 1998, 2000 и
2007 гг. выпускались дополнения к стандарту, позволяющие решить проблемы адресации, увеличить скорость передачи, и был введен режим сохранения энергии [5].
Интерфейс I2C использует четыре провода:
SDA (Serial Data/Address) – передача данных и адреса;
SCL (Serial CLock) – передача тактовой частоты;
VDD – напряжение питания;
VSS – земля
и обеспечивает следующую скорость передачи данных:
– 100 Кбит/с в стандартном режиме;
– до 400 Кбит/с в быстром режиме;
– 3,4 Мбит/с в высокоскоростном режиме;
– 5 Мбит/с в ультраскоростном режиме.
46
Уровни логического ‘0’ (НИЗКИЙ) и ‘1’ (ВЫСОКИЙ) не фиксирова-
ны и зависят от напряжения, установленного на линии питания VDD.
Входные контрольные уровни установлены как 30 и 70 % уровня VDD.
Интерфейс I2C использует Master/Slave режим обмена данными. Ве-
дущее устройство (Master) инициирует передачу данных и генерирует тактовый сигнал, а устройство, к которому обращается ведущее, считается
ведомым (Slave).
Каждое устройство, подключенное к шине I2C, имеет свой уникальный
адрес. Обращение к устройству начинается с адресной посылки, в которой
указываются адрес ведомого устройства и вид обмена данными. Обмен данными может быть двух видов: Read (чтение) и Write (запись). Тип обмена
данными определяется битом R/W в адресной посылке. Если бит R/W находится в высоком состоянии, то это чтение, если в низком, – то это запись.
Если ведущее устройство инициирует обмен данными в режиме чте-
ния, ведомое устройство передаёт сигнал ACK, а затем запрошенные данные. После получения данных ведущее устройство выставляет сигнал
ACK после каждого полученного байта, кроме последнего, а после приема
последнего байта передаёт сигнал NACK.
В случае режима записи ведущее устройство инициирует обмен дан-
ными и передаёт данные, а ведомое лишь передаёт сигналы ACK. Тактовый сигнал всегда генерируется ведущим устройством. На каждый бит
данных генерируется по одному тактовому сигналу.
Информация по интерфейсу I2C передаётся блоками по 8 битов. Дан-
ные передаются, начиная со старшего бита и заканчивая младшим. После
принятия каждого переданного байта получатель должен выставить сигнал подтверждения ACKNOWLEDGE (ACK).
Любой обмен данными начинается с сигнала START и заканчивается
сигналом STOP. Сигнал START определяется как переход линии SDA из
высокого состояния в низкое, в то время как линия SCL находится в высоком состоянии. Сигнал STOP определяется как переход SDA из низкого
состояния в высокое, в то время как линия SCL находится в высоком состоянии. При передаче данных состояние линии SDA не должно изменяться в то время, когда тактовый сигнал на линии SCL находится в высоком состоянии.
Подключение устройств к шине I2C осуществляется по топологии
общая шина. Пример подключения приведен на рис. 2.22.
47
Устройство 1
Устройство 2
Устройство 3
VDD
SDA
SCL
R2
R1
Рис. 2.22. Пример подключения устройств к шине I2C
2.10. ИНТЕРФЕЙС SPI
Интерфейс SPI – это синхронный протокол передачи данных для сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами
(Slave). SPI расшифровывается как «Serial Peripheral Interface» – последовательный периферийный интерфейс.
Интерфейс SPI использует четыре провода:
− MOSI (M aster Out Slave In) – линия передачи данных от ведущего
к ведомым устройствам;
− MISO (Master In Slave Ou t) – линия передачи от ведомого к веду-
щему устройству;
− SCLK (S erial Clock) – тактовые импульсы синхронизации, генери-
руемые ведущим устройством;
сдвиговых регистров, являющихся центральным элементом любого SPIустройства. Для соединения интерфейс SPI использует конфигурацию
Master/Slave (ведущий/ведомый). Только ведущий может генерировать
импульсы синхронизации. В схеме всегда только один ведущий, а количество ведомых может быть различно. В общем случае выход ведущего соединяется со входом ведомого, и наоборот, выход ведомого соединяется
со входом ведущего. При подаче импульсов синхронизации на выход
SCLK данные передаются ведущим с выхода MOSI и принимаются ведомым по входу MISO.
− SS (Slave Select) – линия выбора ведомого устройства.
Интерфейс SPI представляет собой соединение двух синхронных
48
Схемы подключения показаны на рис. 2.23.
SCLK
MOSI
MISO
SS
SCLK
MOSI
MISO
SS
MASTE
SLAVE
a
б
в
Рис. 2.23. Схемы подключения интерфейса SPI
На рис. 2.23, а, показано простейшее соединение двух устройств; на
рис. 2.23, б, – независимое подключение нескольких ведомых устройств;
на рис. 2.23, в, – каскадное подключение нескольких ведомых устройств.
Интерфейс SPI чаще всего используется при обмене данными между
микроконтроллерами и периферийными устройствами или между несколькими микроконтроллерами.
Основные характеристики SPI интерфейса:
− полнодуплексный 3-проводный синхронный обмен данными;
− режим работы ведущий или ведомый;
49
− обмен данными с передаваемыми первыми старшим или младшим
битами;
− четыре программируемые скорости обмена данными;
− флаг прерывания по окончании передачи;
− активация из Idle-режима (только в режиме ведомого).
2.11. ИНТЕРФЕЙС WI-FI
Интерфейс Wi-Fi («беспроводная точность») – стандарт на оборудо-
вание Wireless LAN, разработанный на базе стандартов IEEE 802.11.
В 1990 г. был разработан первый стандарт беспроводной связи –
802.11. Этот стандарт предусматривал передачу данных при помощи радиоканала частотой 2,4 ГГц и инфракрасного излучения в диапазоне
850–950 нм. В связи с тем, что в то время приемопередающие устройства,
работающие в инфракрасном диапазоне, не были широко распространены,
то этот канал связи в интерфейс Wi-Fi не получил дальнейшего развития.
Скорость обмена данными составляла от 1 до 2 Мбит/с. Передача данных
в стандарте 802.11 осуществлялась при помощи двух и четырех позиционных манипуляций, что позволило обеспечить надежную работу системы
даже при низком соотношении сигнал/шум и использовать довольно простые приёмопередающие модули. Например, при скорости передачи
в 2 Мбит/с каждый информационный символ заменяется на последовательность из 11 символов.
В стандарте 802.11b была установлена новая скорость передачи данных в 5.5, 11 и 22 Мбит/с. Скорость передачи была увеличена за счет
уменьшения избыточности помехоустойчивого кодирования путем внедрения блочных и сверхточных кодов, а также было увеличено максимальное число ступеней модуляции до восьми на один передаваемый символ
(3 бита на 1 бод).
В стандарте 802.11a скорость была увеличена до 54 Мбит/с за счёт
увеличения глубины модуляции до 64 уровней на один символ (6 бит
на 1 бод) и передача данных осуществлялась в диапазоне 5 ГГц.
В стандарте 802.11n увеличение скорости в обоих диапазонах 2,4 и
5 ГГц до 72 Мбит/с достигается путем уменьшения защитных интервалов
между передаваемыми символами. Кроме того, в этом стандарте для до-
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]