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)