Интерфейсы и шины в вычислительной системе. (Тема 3) презентация

Содержание

Интерфейс - это аппаратное и программное обеспечение (элементы соединения и вспомогательные схемы управления, их физические, электрические и логические параметры), предназначенное для сопряжения систем или частей системы (программ или устройств). Под сопряжением

Слайд 1Интерфейсы и шины в вычислительной системе
Структура взаимосвязей вычислительной машины


Слайд 2


Слайд 3Интерфейс - это аппаратное и программное обеспечение (элементы соединения и вспомогательные

схемы управления, их физические, электрические и логические параметры), предназначенное для сопряжения систем или частей системы (программ или устройств). Под сопряжением подразумеваются следующие функции:
выдача и прием информации;
управление передачей данных;
согласование источника и приемника информации.

Слайд 4Шина
Шина (магистраль) - это среда передачи сигналов, к которой может параллельно

подключаться несколько компонентов вычислительной системы и через которую осуществляется обмен данными. Очевидно, для аппаратных составляющих большинства интерфейсов применим термин шина, поэтому зачастую эти два обозначения выступают как синонимы, хотя интерфейс - понятие более широкое.

Слайд 5Интерфейс
Для интерфейсов возможны следующие реализации режимов обмена: дуплексный, полудуплексный и симплексный.

К дуплексным относят интерфейсы, обеспечивающие возможность одновременной передачи данных между двумя устройствами в обоих направлениях. В случае, когда канал связи между устройствами поддерживает двунаправленный обмен, но в каждый момент времени передача информации может производиться только в одном направлении, режим обмена называется полудуплексным.

Слайд 6Основные технические характеристики интерфейсов
вместимость (максимально возможное количество абонентов, одновременно подключаемых к

контроллеру интерфейса без расширителей);
пропускная способность или скорость передачи (длительность выполнения операций установления и разъединения связи и степень совмещения процессов передачи данных);
максимальная длина линии связи;
разрядность;
топология соединения

Слайд 7Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой

шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, к которым легко подключить дополнительные устройства, большинство таких шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей.

Слайд 8Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать:
совокупность сигнальных линий;
физические, механические и

электрические характеристики шины;
используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;
правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).

Слайд 9Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы,

представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пересылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (параллельную) передачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтажной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки на кристалле микросхемы.

Слайд 10Электрические аспекты
Все устройства, использующие шину, электрически подсоединены к ее сигнальным

линиям. Меняя уровни напряжения на сигнальных линиях, ведущее устройство формирует на них информационные или управляющие сигналы. Когда ведущее устройство выставляет на сигнальной шине какой-то уровень напряжения, этот уровень может быть воспринят приемниками в любой точке линии. Это идеализированная картина происходящих на шине процессов — реальные процессы значительно сложнее.

Слайд 11Схему, меняющую напряжение на сигнальной шине, обычно называют драйвером. При реализации

шины необходимо предусмотреть возможность отключения драйвера от сигнальной линии на период, когда он не использует шину. Один из способов— применение драйвера, выход которого может находиться в одном из трех состояний: «высокий уровень напряжения» (high), «низкий уровень напряжения» (low) и «отключен» (off). Для перевода в состояние «off», эквивалентное отключению выхода драйвера от сигнальной линии, используется специальный вход драйвера.

Слайд 12Совместное использование линии шины несколькими устройствами возможно также за счет подключения

этой линии к выходу драйвера через резистор, соединенный с источником питания (схемы с открытым коллектором (ТТЛ), открытым стоком (МОП) или открытым эмиттером (ЭСЛ)). Данный способ исключает электрические конфликты на шине и позволяет реализовать вид логической операции, «монтажное ИЛИ» или «монтажное И». Если к линии одновременно подключается несколько драйверов, то сигнал на линии представляет собой результат логического сложения (операция ИЛИ) всех поступивших на линию сигналов. Это используется при решении задачи арбитража. В некоторых шинах «монтажное ИЛИ» используется лишь в отдельных сигнальных линиях.

Слайд 13Факторы влияющие на распространение сигнала
скорость распространения;
отражение;
перекос;
эффекты перекрестного влияния.
Теоретическая граница скорости

распространения сигнала —300 мм/нс. Реальная скорость, определяемая физическими характеристиками сигнальных линий и нагрузкой, не может превысить 70% от скорости света.

Слайд 14Отражение
Сигнал драйвера «подтягивает» линию к своему уровню напряжения. Изменение напряжения распространяется

от точки подключения драйвера в обоих направлениях, пока на всей линии не установится уровень сигнала драйвера. Характер распространения сигнала определяют емкость, индуктивность и характеристическое сопротивление линии, локальные значения которых по длине линии зависят от локальных свойств проводника и его окружения.

Слайд 15 По мере распространения по реальной линии сигнал преодолевает области

с различным сопротивлением. Там, где оно меняется, сигнал искажается. Часть сигнала продолжает продвижение, а часть отражается в противоположную сторону. Прямой и отраженный сигналы могут повторно отражаться, в результате чего на линии формируется сложный результирующий сигнал. В конце линии сигнал отражается назад. Если на конце линии имеется согласующий резистор, с сопротивлением, идентичным импедансу линии, сигнал будет поглощен без отражения. Такие резисторы должны размещаться по обоим концам сигнальной линии. Точное значение импеданса линии не известно, из-за чего номиналы резисторов невозможно точно согласовать с линией, и отражение всегда имеет место.

Слайд 16Перекос
При параллельной передаче по линиям шины сигналы на разных линиях достигают

соответствующих приемников не одновременно. Это явление известно как перекос сигналов.
Распространяясь по линии, сигнал создает вокруг нее электростатическое и магнитное поля. Поля от близко расположенных линий перекрываются, приводя к тому, что сигнал на одной линии влияет на сигнал в другой. Этот эффект называют перекрестной или переходной помехой.
Способы уменьшения перекрестной помехи – пространственно разнести линии шины , уменьшение взаимных емкости и индуктивности линий, за счет размещения вблизи сигнальных линий «земляных» линий, разделение линий изолятором с малой диэлектрической постоянной. В целом, при проектировании шин обычно используется комбинация перечисленных методов борьбы с перекрестной помехой.

Слайд 17Арбитраж
Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций — транзакции чтения

и транзакции записи. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.
Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства называют ведущими (bus master). «Ведущий» — это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных

Слайд 18Ведущий может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не

обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). К шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них: если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж).

Слайд 19Схемы приоритетов
Каждому потенциальному ведущему присваивается определенный уровень приоритета, который может

оставаться неизменным (статический приоритет) либо изменяться по какому-либо алгоритму (динамический приоритет). Недостаток статических приоритетов в том, что устройства, имеющие высокий приоритет, в состоянии полностью блокировать доступ к шине устройств с низким уровнем приоритета. Системы с динамическими приоритетами дают шанс каждому из запросивших устройств рано или поздно получить право на управление шиной.

Слайд 20Алгоритмы динамического изменения приоритетов:
простая циклическая смена приоритетов;
циклическая смена приоритетов

с учетом последнего запроса;
смена приоритетов по случайному закону;
схема равных приоритетов;
алгоритм наиболее давнего использования.

Слайд 21В алгоритме простой циклической смены приоритетов после каждого цикла арбитража все

приоритеты понижаются на один уровень, при этом устройство, имевшее ранее низший уровень приоритета, получает наивысший приоритет.
В схеме циклической смены приоритетов с учетом последнего запроса все возможные запросы упорядочиваются в виде циклического списка. После обработки очередного запроса обслуженному ведущему назначается низший уровень приоритета. Следующее в списке устройство получает наивысший приоритет, а остальным устройствам приоритеты назначаются в убывающем порядке, согласно их следованию в циклическом списке.

Слайд 22При смене приоритетов по случайному закону после очередного цикла арбитража с

помощью генератора псевдослучайных чисел каждому ведущему присваивается случайное значение уровня приоритета.
В схеме равных приоритетов при поступлении к арбитру нескольких запросов каждый из них имеет равные шансы на обслуживание. Возможный конфликт разрешается арбитром. Такая схема принята в асинхронных системах.
В алгоритме наиболее давнего использования (LRU, Least Recently Used) после каждого цикла арбитража наивысший приоритет присваивается ведущему, который дольше чем другие не использовал шину.

Слайд 23Схемы арбитража
Арбитраж запросов на управление шиной может быть организован по

централизованной или децентрализованной схеме.
При централизованном арбитраже в системе имеется специальное устройство – центральный арбитр, ответственное за предоставление доступа к шине только одному из запросивших ведущих. Это устройство, называемое иногда центральным контроллером шины, может быть самостоятельным модулем или частью ЦП.

Слайд 24Обслуживание нескольких устройств
Реализация приоритетов прерываний с использованием
индивидуальных линий подтверждения прерывания
Арбитражная
схема

Устройство

1

Устройство p

Устройство 2






INTR1 INTRp

INTA1 INTAp



процессор


Слайд 25Достоинство данного метода высокая скорость арбитража, потому что арбитраж производится параллельно.
Недостаток

– большое количество сигнальных линий.
INTR1 – запрос на захват шины
INTA1 - разрешение на захват шины
Приоритет определяется алгоритмом арбитра

Слайд 26Обслуживание нескольких устройств
Схемы приоритетов : гирляндная цепь




Устройство
1
Устройство n
Устройство
2
процессор


INTR

INTA


Слайд 27Запрос на обслуживание шины все устройства подают по одной шине INTR
параллельно.

Если шина не занята, контроллер выдает сигнал предоставления работы с шиной который последовательно проходит через устройства пока не встретит первое устройство запросившее шину. Устройство блокирует прохождение сигнала дальше, выставляет сигнал занятости шины и начинает управлять шиной. Приоритет не изменяемый и зависит от местоположения устройства.

Слайд 28Схемы приоритетов : группы с приоритетами
Обслуживание нескольких устройств
INTR1
INTA p

Устройство
Устройство
Устройство
Устройство



процессор
INTA1
INTR

p

Арбитражная
схема


Слайд 29Совмещает первые два способа. Группы обслуживаются параллельно с заданным алгоритмом определения

приоритета, а внутри группы приоритет зависит от местоположения устройства.

Слайд 30Разрешение конфликтов на шине
Схема распределенного арбитража
Vcc
____
ARB3
____
ARB2
0 1 0

1 0 1 1 1

Открытый
коллектор

____
ARB1
____
ARB0

______________
Start - Arbitration


Слайд 31Предположим, что устройства А и В, которые имеют идентификационные номера 5

и 6, одновременно запрашивают шину. Устройство А передает значение 0101, а устройство В – значение 0110. Оба они получают код 0111. После этого каждое из устройств сравнивает код со своим идентификационным номером, начиная с самого старшего разряда, и, если обнаруживает различие хотя бы в одном разряде, отключает свой повторитель в этом разряде и все повторители младших разрядов. Для этого оно просто помещает на входы соответствующих повторителей значение 0. В нашем примере устройство А обнаруживает различие на линии


Слайд 32ARB1, поэтому отключает повторители на линиях ARB1 и ARB0. В результате

код на линиях арбитража меняется на 0110, и это означает, что победило устройство В. Поскольку код на линиях приоритета в течение короткого промежутка времени был равен 0111, устройство В смогло временно отключить свой повторитель на линии ARB0. Однако оно снова включит этот повторитель, как только увидит на линии ARB1 значение 0, появившееся в результате действий устройства А. Т.О. чем больше номер, тем больше приоритет

Слайд 33Типы шин
Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее целевое

назначение. По этому критерию можно выделить:
шины «процессор-память»;
шины ввода/вывода;
системные шины.

Слайд 34Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором вычислительной машины и

основной памятью . В современных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей. Роль этой шины иногда выполняет системная шина однако в плане эффективности значительно выгоднее, если обмен между ЦП и ОП ведется по отдельной шине.

Слайд 35Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ).

Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктива и соединительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с вариантом «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой. Типичными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.

Слайд 36С целью снижения стоимости некоторые ВМ имеют общую шину для памяти

и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств ВМ. Поскольку основные устройства машины, как правило, размещаются на общей монтажной плате, системную шину часто называют объединительной шиной (backplane bus), хотя эти термины нельзя считать строго эквивалентными.
Системная шина в состоянии содержать несколько сотен линий. Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы: шину данных, шину адреса и шину управления. К последней обычно относят также линии для подачи питающего напряжения на подключаемые к системной шине модули.

Слайд 37Все этапы передачи данных по шине должны быть синхронизированы по времени.
По

типу синхронизации передачи данных шины различаются на синхронные и асинхронные.
Время необходимое для передачи данных называют циклом шины

Слайд 38Синхронная шина
Временная диаграмма операции пересылки
по синхронной шине при вводе данных
Тактовый
сигнал шины
Время
t0

t1 t2

Адрес и
Команды

Данные

Цикл шины


Слайд 39В случае синхронной шины все устройства получают синхронизирующую информацию по общей

тактовой линии. На эту линию подаются тактовые импульсы со строго фиксированной частотой. Промежуток времени между последовательными тактовыми импульсами в простейшей синхронной шине составляет цикл шины, в течение которого выполняется одна операция пересылки данных.

Слайд 40На этом и следующих рисунках на линиях адреса и данных показаны

сигналы и низкого и высокого уровня. Это стандартный прием, обозначающий, что на одних из этих линий уровень сигнала низкий, а на других, наоборот, высокий и зависит от конкретных значений адреса и данных. Точки пересечения линий на рисунке соответствуют моментам изменения этих значений. Сигнальная линия в неопределенном, или высокоимпедансном, состоянии представлена промежуточным уровнем, находящимся посередине между высоким и низким.

Слайд 41В момент времени t0 хозяин шины помещает на адресные линии адрес

устройства и отсылает по управляющим линиям необходимую команду. В этой команде определяется операция ввода и, задается длина считываемого операнда. Информация передается по шине со скоростью, определяемой ее физическими и электрическими характеристиками. Длительность тактового импульса t1 - t0 должна быть больше максимального времени задержки на распространение сигнала между двумя соединенными с шиной устройствами и все устройства должны успеть декодировать адрес и управляющие сигналы, с тем чтобы адресуемое устройство могло ответить на команду в момент времени t1.

Слайд 42В течение промежутка времени от t0 до t1 информация на шине

ненадежна, поскольку состояние сигналов изменяется. В момент времени t1 адресуемое устройство помещает запрошенные входные данные на линии данных.
В конце тактового цикла (t2) хозяин шины стробирует данные на линиях данных в свой входной буфер. Слово «стробировать» в используемом контексте означает снять значения с линий данных в указанный момент времени и сохранить их в буфере. Для того чтобы данные правильно загружались в любое устройство хранения они должны находиться на его входе в течение времени, достаточного для их сохранения. Поэтому период времени t2 – t1 должен быть больше максимального времени распространения сигнала по шине в сумме со временем установки входного буферного регистра хозяина шины.

Слайд 43Синхронная шина
Временная диаграмма для операции пересылки входных данных с учетом задержек

на распространение сигнала



Слайд 44Каждый сигнал, за исключением тактового, показан здесь в двух вариантах. Поскольку

на передачу сигнала от одного устройства к другому уходит некоторое время, разные устройства видят изменения этого сигнала в разные моменты. Одно представление соответствует тому, как данный сигнал видит хозяин шины, а другое – тому, как его видит подчиненное устройство. При этом предполагается, что изменения тактового сигнала все подключенные к шине устройства замечают одновременно

Слайд 45Поскольку пересылка данных выполняется за один такт, период t2 - t0

должен выбираться таким образом, чтобы вместить и наиболее долгие задержки на шине, и задержки самого медленного интерфейса устройств. В результате все устройства будут работать со скоростью самого медленного из них. Кроме того, у процессора нет возможности определить, какое из адресуемых устройств на самом деле ответило на запрос. Он предполагает, что в момент времени t2 выходные данные получены устройством ввода-вывода или что входные данные имеются на линиях данных. Если же по какой-либо причине устройство не ответит, процессор даже не обнаружит ошибку.

Слайд 46Синхронная шина
Пересылка данных с использованием нескольких тактов
1 2 3

4

Тактовый сигнал

Адрес

Команда

Данные

Slave-ready


Слайд 47Для преодоления этих ограничений в шину включают управляющий сигнал (Slave-ready), передаваемый

в качестве ответа устройства. Эти сигналы информируют хозяина шины о том, что подчиненное устройство готово участвовать в операции пересылки данных. Кроме того, они позволяют откорректировать длительность периода пересылки данных в соответствии с требованиями участвующих в операции устройств. Для упрощения этой задачи используется тактовый сигнал высокой частоты, при котором цикл пересылки занимает несколько тактов. Таким образом, количество тактов, затрачиваемых на операцию пересылки данных, зависит от конкретной пары устройств.

Слайд 48Асинхронные шины
Пересылка входных данных по шине с использованием квитирования (ввод)
Время
Адрес и

команда

Master-ready

Slave-ready

Данные

t0 t1 t2 t3 t4 t5

Цикл шины









Слайд 49Альтернативная схема управления пересылкой данных по шине основывается на механизме квитирования,

то есть подтверждения связи, между хозяином шины и подчиненным устройством. Концепция квитирования является обобщением идеи использования сигнала Slave-ready. В схеме с квитированием тактовая линия заменяется двумя управляющими линиями синхронизации: Master-ready и Slave-ready. Первая принадлежит хозяину шины, который передает по ней сигнал готовности к транзакции, а по второй отвечает подчиненное устройство.

Слайд 50Пример выполнения операции пересылки входных данных с использованием квитирования
t0 –

хозяин шины помещает на нее адрес и команду, и все устройства на шине начинают декодировать эту информацию.
t1 – хозяин шины активизирует линию Master-ready, чтобы проинформировать устройства ввода-вывода о том, что адрес и команда поданы на шину. Задержка, равная t1 - t0 учитывает сдвиг сигналов и время декодирования.
t2 –подчиненное устройство выполняет операцию ввода. Одновременно оно активизирует сигнал Slave-ready. Длительность промежутка времени t2 – t1 зависит от расстояния между хозяином шины и подчиненным устройством, а также от задержек в схеме подчиненного устройства. Поскольку указанный промежуток времени имеет разную длительность, схема получается асинхронной.

Слайд 51t3 – сигнал Slave-ready достигает хозяина шины и сообщает ему, что

на шине имеются данные. После задержки (t2 – t3 ), равной сумме времени максимального сдвига сигналов на шине и минимального времени установки буфера, хозяин шины стробирует данные в свой входной буфер. Одновременно он удаляет с шины сигнал Master-ready, сообщая тем самым о получении данных.
t4 – хозяин шины удаляет с шины адрес и команду.
t5 – когда интерфейс устройства фиксирует переход сигнала Master-ready из 1 в 0, он удаляет с шины данные и сигнал Slave-ready. На этом пересылка входных данных завершается.


Слайд 52Асинхронные шины
Пересылка выходных данных по шине с использованием квитирования (вывод)
Время
Адрес и

команда

Master-ready

Slave-ready

Данные

Цикл шины

t0 t1 t2 t3 t4 t5


Слайд 53Процесс выполнения операции вывода почти ничем не отличается от процесса выполнения

операции ввода. Правда, в этом случае хозяин шины одновременно с адресом и командой помещает на линии данных выходную информацию. Получив сигнал Master-ready, подчиненное устройство стробирует данные в свой входной буфер и сообщает об этом установкой сигнала Slave-ready в 1. Дальше все происходит точно так, как при вводе данных.

Слайд 54Методы управления вводом/выводом
В ВМ находят применение три способа организации ввода/вывода:
программно

управляемый ввод/вывод;
ввод/вывод по прерываниям;
прямой доступ к памяти.

Слайд 55При программно управляемом вводе/выводе все связанные с этим действия происходят по

инициативе центрального процессора и под его полным контролем. ЦП выполняет программу, которая обеспечивает прямое управление процессом ввода/вывода, включая проверку состояния устройства, выдачу команд ввода или вывода. Выдав в МВВ команду, центральный процессор должен ожидать завершения ее выполнения, поскольку ЦП работает быстрее, чем МВВ, это приводит к потере времени.

Слайд 56Ввод/вывод по прерываниям во многом совпадает с программно управляемым методом. Отличие

состоит в том, что после выдачи команды ввода/вывода ЦП не должен циклически опрашивать МВВ для выяснения состояния устройства. Вместо этого процессор может продолжать выполнение других команд до тех пор, пока не получит запрос прерывания от МВВ, извещающий о завершении выполнения ранее выданной команды. Как и при программно управляемом вводе/выводе, ЦП отвечает за извлечение данных из памяти (при выводе) и запись данных в память (при вводе).

Слайд 57Повышение как скорости ввода/вывода, так и эффективности использования ЦП обеспечивает третий

способ ввода/вывода — прямой доступ к памяти (ПДП). В этом режиме основная память и модуль ввода/вывода обмениваются информацией напрямую, минуя процессор. Процессор инициирует операцию и передает управление контроллеру ПДП. По завершении ввода/вывода контроллер оповещает ЦП с помощью прерывания.

Слайд 58Стандартные интерфейсы ввода/вывода
Шина процессора – это шина, управляемая теми же сигналами,

что и микросхема процессора. Из-за некоторых ограничений электрической природы с процессором может быть соединено лишь несколько устройств. На материнской плате обычно имеется еще одна шина, способная поддерживать большее количество устройств. Эти две шины соединены между собой с помощью специальной схемы, называемой мостом и предназначенной для преобразования сигналов в соответствии с протоколами, регулирующими применение этих двух шин. Устройства, подключенные к шине расширения, представляются процессору непосредственно соединенными с его собственной шиной. Мост вызывает небольшую задержку при пересылке данных между процессором и этими устройствами.

Слайд 59Универсальный стандарт для шины процессора определить невозможно, поскольку ее структура очень

тесно связана с архитектурой процессора. Структура шины зависит от электрических характеристик процессора, в том числе от его тактовой частоты. Однако на шину расширения эти ограничения не распространяются, поэтому для нее можно использовать стандартную схему сигналов. Для шин расширения разработан целый ряд стандартов. Некоторые стандарты разрабатывались объединенными усилиями крупных компаний, которые были заинтересованы в создании совместимых устройств.

Слайд 60Стандартные интерфейсы ввода-вывода
В этом разделе вы познакомитесь с тремя широко применяемыми

стандартами шин:
PCI (Peripheral Component Interconnect)
SCSI (Small Computer Systems Interface)
USB (Universal Serial Bus).

Слайд 61Стандартные интерфейсы ввода-вывода
Пример компьютерной системы, в которой используется несколько стандартов

интерфейса


Слайд 62Шина PCI
Шина PCI – это разновидность системной шины, появившейся в ответ

на потребность в стандартизации используемых устройств. Она поддерживает функции, типичные для шины процессора, но в стандартизированном формате, независимо от типа процессора. Подключенные к этой шине устройства представляются процессору непосредственно соединенными с его собственной шиной. Им назначаются адреса из адресного пространства памяти процессора.

Слайд 63Шина PCI предназначена для поддержки режима пакетного ввода/вывода данных. Операция чтения

или записи одного слова интерпретируется ею как чтение или запись пакета длиной в одно слово. Шина поддерживает три независимых адресных пространства: памяти, ввода-вывода и конфигурации. Назначение первых двух понятно. Адресное пространство ввода-вывода используется такими процессорами, как Pentium, имеющими отдельное адресное пространство ввода-вывода. Конфигурационное адресное пространство предназначено для поддержки технологии plug-and-play. Сопровождающая адрес 4-разрядная команда указывает, какое из трех адресных пространств должно использоваться в этой операции пересылки данных.

Слайд 64Хозяином шины в каждый конкретный момент времени может быть только одно

устройство. Это устройство имеет право инициировать операции пересылки данных с помощью команд чтения и записи. Согласно терминологии PCI, хозяин шины называется инициатором. Им может быть либо процессор, либо контроллер ПДП. Адресуемое устройство, отвечающее на команды чтения и записи, называется целевым. Рассмотрим назначение сигналов пересылки данных по шине PCI

Слайд 66Шина PCI
Операция чтения на шине PCI
1 2 3 4 5 6 7


Слайд 67Рассмотрим операцию в которой процессор считывает из памяти 32-разрядное слово. Ее

инициатором является процессор, а целевым устройством – память. Полная операция пересылки данных по шине, включающая пересылку адреса и пакета данных, называется транзакцией. Пересылка отдельного слова в ходе транзакции называется фазой. Тактовый сигнал используется для координирования различных фаз транзакции. Все изменения сигналов инициируются передним фронтом тактового сигнала. Из-за задержек изменения сигналов следуют через некоторое время после тактовых импульсов.

Слайд 68На такте 1 процессор помещает на шину сигнал FRAME#, сообщая тем

самым о начале транзакции. Одновременно он помещает адрес на линии AD и команду на линии С/ВЕ#. В данном случае команда указывает, что запрошена операция чтения и что в ней используется адресное пространство памяти.
Такт 2 предназначен для переключения линий шины AD. Процессор удаляет с них адрес и отключает свои выходные повторители. Выбранное целевое устройство, напротив, включает свои повторители на линиях AD и в течение такта 3 по­мещает на эти линии запрошенные данные. Затем оно активизирует сигнал DEVSEL# и поддерживает его в активном состоянии до конца транзакции.

Слайд 69Линии С/ВЕ#, использовавшиеся для пересылки команды на такте 1, в оставшейся

части транзакции применяются для другой цели. Каждая из них связана с одним байтом данных на линиях AD. Инициатор активизирует одну или несколько линий С/ВЕ#, для того чтобы указать, какие из линий AD должны использоваться для пересылки данных. Если целевое устройство способно одновременно пересылать 32 бита данных, все четыре линии С/ВЕ# устанавливаются в 1.
В течение такта 3 инициатор активизирует сигнал IRDY#, с тем чтобы сообщить о своей готовности к получению данных. Если целевое устройство к этому моменту уже готово к отправке данных, оно устанавливает сигнал TRDY# и помещает на шину слово данных. В конце такта инициатор загружает данные в свой входной буфер. На тактах 4-6 целевое устройство отсылает инициатору еще три слова данных.

Слайд 70С помощью сигнала FRAME# инициатор указывает длину пакета данных. Во время

передачи предпоследнего слова он снимает этот сигнал, отмечая окончание пакета. В нашем примере инициатор хочет прочитать четыре слова. Поэтому он снимает сигнал FRAME# на такте 5, во время которого получает третье слово данных. После отправки четвертого слова на такте 6 целевое устройство отсоединяет свои повторители от линий AD и в начале такта 7 снимает сигнал DEVSEL#.

Слайд 71Шина PCI
Роль сигналов IRDY# и TRDY# в операции чтения


Слайд 72С помощью сигналов IRDY# и TRDY# инициатор и целевое устройство делают

паузы в середине транзакции. Целевое устройство отсылает третье слово на такте 5. Предположим, что в этот момент инициатор не готов к его получению. Тогда он снимает сигнал IRDY#, а целевое устройство сохраняет третье слово на линях AD до тех пор, пока сигнал IRDY# не появится снова. На такте 6 инициатор активизирует сигнал IRDY# и в конце этого такта загружает данные в свой входной буфер. Допустим, что теперь целевое устройство не готово к немедленной отправке четвертого слова данных. В начала такта 7 оно снимает сигнал TRDY#, а на такте 8 помещает четвертое слово на линии AD и активизирует сигнал TRDY#. Поскольку на третьем слове данных сигнал FRAME# снимается, после пересылки четвертого слова данных транзакция завершается.

Слайд 73Конфигурирование устройства
Если устройство подключено к компьютеру, программному обеспечению нужно знать его

адрес информацию о различных характеристиках устройства, таких как скорость работы канала связи, использование битов четности и т. д.
Стандарт PCI упрощает этот процесс путем включения в интерфейс каждого устройства ввода-вывода конфигурационной ROM-памяти небольшого объема, предназначенной для хранения информации об устройстве. При включении или перезапуске компьютера программное обеспечение, выполняющее инициализацию шины PCI, считывает содержимое этой памяти на основании полученных данных определяет тип каждого устройства (принтер, клавиатура, сетевая плата, дисковый контроллер и т. д.) и, если нужно, узнает опции и характеристики устройства.

Слайд 74В результате процесса инициализации устройствам назначаются адреса. Это означает, что в

ходе операции конфигурирования шины доступ к устройствам по их адресам не возможен, поскольку таковые им пока еще не назначены. Поэтому для доступа к адресному пространству конфигурации применяется другой механизм. У каждого устройства имеется входной сигнал, называемый IDSEL# (Initialization Device Select – выбор инициализируемого устройства). В ходе операции конфигурирования выбор устройства выполняется с помощью этого сигнала, а не с помощью адреса, поданного на AD-входы устройства. На материнской плате в каждом разъеме, к которому подключается интерфейс устройства ввода-вывода, имеется контакт IDSEL#, соединенный с одной из 21 старших адресных линий, от AD11 до AD31.

Слайд 75Выбор устройства для конфигурирования выполняется путем подачи на шину конфигурационной команды

и адреса, в котором соответствующая линия AD установлена в 1, а оставшиеся 20 линий – в 0. Младшие адресные линии, от AD10 до AD00, используются для задания типа операции и для доступа к содержимому конфигурационной ROM устройства. Такая организация шины PCI позволяет подключить к ней не более 21 устройства ввода-вывода. Конфигурационное программное обеспечение сканирует 21 область конфигурационного адресного пространства, чтобы узнать, какие устройства подключены к компьютеру.

Слайд 76Каждое устройство может запросить адрес в пространстве ввода-вывода или в пространстве

основной памяти. Назначенный устройству адрес записывается в один из его регистров. Кроме того, конфигурационное программное обеспечение устанавливает такие параметры, как приоритет прерываний устройства. Шина PCI включает четыре линии запроса прерывания. Записывая данные в регистр конфигурации устройства, программное обеспечение информирует устройство о том, какие из этих линий оно может использовать для запроса прерывания. Если устройству необходима инициализация, предназначенный для этой цели код хранится в специальной ROM его интерфейса. (Это не та ROM, которая используется в процессе конфигурирования.) Программное обеспечение PCI считывает данный код и выполняет его для инициализации устройства.

Слайд 77Описанная процедура освобождает пользователя от участия в конфигурационном процессе. Теперь ему

необходимо лишь вставить интерфейсную плату в разъем и включить питание. Все остальное делает программное обеспечение, по окончании работы которого устройство готово к использованию. Эта процедура подключения устройств ввода-вывода, получила название plug-and-play. Шины PCI была пионером этого нового механизма

Слайд 78
Подключение шины PCI


Слайд 79PCI Express
Интерфейс PCI Express использует концепцию PCI, однако физическая их реализация

кардинально отличается. На физическом уровне PCI Express представляет собой не шину, а некое подобие сетевого взаимодействия на основе последовательного протокола. Высокое быстродействие PCI Express позволяет отказаться от других системных интерфейсов (AGP, PCI), что дает возможность также отказаться от деления системного чипсета на северный и южный мосты в пользу единого контроллера PCI Express.

Слайд 80Одна из концептуальных особенностей интерфейса PCI Express, позволяющая существенно повысить производительность

системы – использование топологии «звезда». В топологии "шина" устройствам приходится разделять пропускную способность PCI между собой. При топологии «звезда» каждое устройство монопольно использует канал, связывающий его с концентратором (switch) PCI Express, не деля ни с кем пропускную способность этого канала.

Слайд 82Канал (link), связывающий устройство с концентратором PCI Express, представляет собой совокупность

дуплексных последовательных (однобитных) линий связи, называемых полосами (lane). В PCI шина данных - полудуплексная (в один момент времени передача выполняется только в определенном направлении). На электрическом уровне каждая полоса соответствует двум парам проводников с дифференциальным кодированием сигналов. Одна пара используется для приема, другая - для передачи. PCI Express первого поколения декларирует скорость передачи одной полосы 2,5 Гбит/с в каждом направлении.

Слайд 83Дуплексная пропускная способность соединения x1 составляет:
2,5 · 2 · 0,8 =

4 Гбит/с
где 2,5 — битрейт, Гбит/с;
2 — учёт дуплексности (двунаправленности);
0,8 — учёт избыточности 8b/10b для 1.0 и 2.0; 0,985 — для 3.0;


Слайд 84Параллельный интерфейс SCSI
Параллельный интерфейс SCSI является исторически первым и самым известным.

Существует три стандарта электрической организации параллельного интерфейса SCSI:
SE (single-ended) — асимметричный SCSI, для передачи каждого сигнала используется отдельный проводник.
LVD (low-voltage-differential) — интерфейс дифференциальной шины низкого напряжения, сигналы положительной и отрицательной полярности идут по разным физическим проводам — витой паре. На один сигнал приходится по одной витой паре проводников. Используемое напряжение при передаче сигналов ±1,8 В.
HVD (high-voltage-differential) — интерфейс дифференциальной шины высокого напряжения, отличается от LVD повышенным напряжением и специальными приемопередатчиками.

Слайд 85Согласно основной спецификации этого стандарта, такие устройства, как диски, должны соединяться

с компьютером при помощи 50-проводного кабеля длиной до 25 м. В отличие от устройств, подключаемых к шине процессора, устройства, подключаемые к шине SCSI, не являются частью его адресного пространства. Шина SCSI соединяется с шиной процессора через SCSI-контроллер. Для пересылки пакетов данных от главной памяти к устройству и в обратном направлении этот контроллер применяет технологию прямого доступа к памяти. Пакет может содержать блок данных, команды, направляемые процессором устройству, или информацию о состоянии устройства.

Слайд 86Данные хранятся на диске блоками, называемыми секторами они не обязательно записываются

в последовательно расположенные секторы. Поэтому для обслуживания запроса чтения или записи может потребоваться доступ к нескольким, не обязательно последовательным секторам диска. Из-за ограничений, связанных с механической природой диска, обращение к первому сектору, из которого считываются или в который записываются данные, выполняется с довольно значительной задержкой, порядка нескольких миллисекунд. После этого некоторый объем данных пересылается с очень высокой скоростью, но затем может произойти еще одна задержка и т. д. В ходе обслуживания одного запроса чтения или записи может произойти несколько таких задержек. Протокол SCSI ориентирован именно на такой режим работы.

Слайд 87Пересылка данных по шине SCSI всегда управляется целевым контроллером. Для того

чтобы отправить ему команду, инициатор запрашивает управление шиной, выиграв арбитраж, выбирает контроллер, с которым хочет взаимодействовать, и передает ему управление шиной. После этого целевой контроллер начинает операцию передачи данных для получения команды от инициатора. В процессе обмена данными по шине SCSI можно выделить несколько фаз, главными из которых являются: арбитраж, выбор и пересылка информации, повторный ее выбор.

Слайд 89Шина SCSI
Рис. 5. Арбитраж и выбор на шине SCSI
Шина
свободна


Слайд 90В схеме представленной на Рис. 5, предполагается, что контроллер 6 является

инициатором, желающим установить соединение с контроллером 5. Выиграв арбитраж у устройства 2, контроллер 6 переходит к фазе выбора и идентифицирует целевой контроллер. Контролер 6 сохраняет активными сигналы -BSY и -DB6 (свой адрес). Для того чтобы сообщить, что он хочет выбрать для соединения контроллер 5, он поочередно активизирует линии -SEL и -DB5. Как только активизируется сигнал -SEL, все остальные контроллеры, участвовавшие в арбитраже, снимают с линий данных свои адреса. Поместив на шину адрес целевого контроллера, инициатор освобождает линию -BSY. Выбранный целевой контроллер отвечает активизацией линии -BSY. Тем самым он сообщает инициатору, что запрошенное соединение установлено и что можно удалять с шины адрес целевого контроллера. На этом процесс выбора завершается, а целевой контроллер (контроллер 5) сохраняет линию -BSY активной.

Слайд 91С этого момента шиной управляет целевой контроллер, что необходимо для фазы

пересылки информации. Для управления пересылкой информации предназначены сигналы квитирования. Процесс квитирования аналогичен описанному ранее, но в данном случае роль хозяина шины выполняет целевой контроллер. Сигналы -REQ и -АСК соответствуют сигналам Master-ready и Slave-ready Для выполнения операции ввода (пересылки данных от целевого контроллера к инициатору) целевой контроллер активизирует сигнал -I/O на все время этой операции. Кроме того, он может активизировать сигнал -C/D, указывающий, что пересылаются не данные, а команда или информация о состоянии.

Слайд 92Асинхронные шины
Пересылка выходных данных по шине с использованием квитирования (вывод)
Время
Адрес и

команда

Master-ready

Slave-ready

Данные

Цикл шины

t0 t1 t2 t3 t4 t5


Слайд 94Шина USB
Современные компьютерные системы включают множество устройств, таких как клавиатуры,

микрофоны, цифровые видеокамеры, динамики, дисплеи. И почти все они имеют проводное или беспроводное соединение с Интернетом. Одним из важнейших требований к таким системам является наличие простого и недорогого механизма подключения к компьютеру внешних устройств. Одной из разработок в этой области стала универсальная последовательная шина – Universal Serial Bus (USB). USB является промышленным стандартом, разработанным объединенными усилиями ряда компьютерных и коммерческих компаний, к числу которых относятся Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, Nortel Networks, Philips.

Слайд 95USB поддерживает два режима функционирования, получивших названия низкоскоростной (1,5 Мбит/с) и

полноскоростной (12 Мбит/с). В последних версиях этой спецификации, USB 2.0/ 3.0, введен третий режим, названный высокоскоростным (480Мбит/с и 5 Гбит/с). Разработчики USB ставили перед собой следующие задачи:
создать простую, дешевую и удобную систему соединения, позволяющую преодолевать сложности, возникающие из-за ограниченного числа имеющихся в компьютерах портов ввода-вывода;
учесть широкий диапазон параметров пересылаемых данных, присущих различным устройствам ввода-вывода, в том числе модемам;
облегчить для пользователей процесс подключения устройств за счет поддержки режима plug-and-play.

Слайд 96Для шины USB выбран последовательный формат пересылки данных, обеспечивающий малую стоимость

и наибольшую гибкость. Тактирующий сигнал и данные кодируются вместе и передаются как единый сигнал. В результате нет никаких ограничений в отношении тактовой частоты или расстояний, связанных со сдвигом данных, в результате становится возможной высокая пропускная способность соединений с высокой тактовой частотой. Для того чтобы к шине USB можно было одновременно подключать большое количество устройств, удаляемых и подсоединяемых в любое время, эта шина имеет древовидную структуру и поддерживает технологию plug-and-play.

Слайд 97Шина USB
Структура дерева USB


Слайд 98Каждый хаб имеет ряд портов, к которым можно подключать любые устройства,

в том числе и другие хабы. В нормальном режиме хаб копирует полученное входное сообщение в свои выходные порты. В результате посланное компьютером сообщение передается всем устройствам ввода-вывода, но отвечает на него только адресуемое устройство. Сообщение от устройства ввода-вывода пересылается только вверх, в направлении корневого узла, и другие устройства его не получают. Таким образом, USB дает возможность хосту взаимодействовать с устройствами ввода-вывода, но не позволяет им взаимодействовать друг с другом.

Слайд 99В основе функционирования шины USB лежит принцип опроса устройств. Устройство может

отослать сообщение только в ответ на запрос хоста. Поэтому передаваемые хосту сообщения не конфликтуют и не пересекаются друг с другом, и никакие два устройства не могут отослать сообщения одновременно. Это ограничение позволяет применять простые и недорогие хабы. Стандартом USB определяются особенности аппаратной реализации соединений USB, а также структура программного обеспечения хоста и требования к самому обеспечению. Последнее предназначено для поддержки двунаправленных коммуникационных соединений между прикладным программным обеспечением и устройствами ввода-вывода.

Слайд 100 Соединения называются каналами (pipe). Любые данные, входящие в канал с одного

конца, обязательно достигают другого. Все вопросы, связанные с адресацией, тактированием, выявлением ошибок и восстановлением решаются посредством протоколов USB. Каждый драйвер разрабатывается для устройства с учетом характеристик того конкретного устройства, для которого он предназначен. Поэтому более точное определение канала USB таково: соединение устройства ввода-вывода с его драйвером. Это соединение устанавливается после подключения устройства и назначения ему программным обеспечением USB уникального адреса. При наличии соединения данные могут пересылаться по каналу по мере надобности.

Слайд 101Адресация USB
Каждому устройству на шине USB, будь то хаб или устройство

ввода-вывода, назначается 7-битовый адрес. Этот адрес локален для дерева USB и никак не соотносится с адресами, используемыми на шине процессора. К хабу может быть подключено любое количество устройств и других хабов, адреса которых назначаются произвольным образом. Когда устройство активизируется или подключается к хабу, оно имеет адрес 0. Аппаратное обеспечение хаба обнаруживает новое устройство, о чем делает соответствующую пометку в своей информации о состоянии. Периодически хост опрашивает все хабы, собирая сведения об их состоянии, и узнает о добавленных или удаленных устройствах.

Слайд 102Когда хост узнает о подключении нового устройства, он с помощью специальной

последовательности команд направляет в порт хаба сигнал сброса, считывает из памяти устройства информацию о его возможностях, направляет этому устройству конфигурационную информацию и присваивает ему уникальный USB-адрес. После этого начинается обычное функционирование устройства, которое теперь имеет новый адрес.
Описанная процедура инициализации подключения является основой реализации принципа plug-and-play. Ею управляет программное обеспечение хоста. Единственное, что при этом требуется от пользователя, – это подключить устройство к порту хаба и включить его питание. При выключении устройства выполняются аналогичные действия.

Слайд 103Программное обеспечение USВ должно постоянно иметь полную картину топологии шины и

подключенных к нему устройств. Такие места хранения информации, как регистры состояния, управления и данных, называются конечными точками. Пару конечных точек: одну для ввода данных, а другую – для их вывода идентифицирует 4-разрядное число. Таким образом, у устройства может быть до 16 входных-выходных пар конечных точек. Каждый канал USB, будучи двунаправленным, соединяется с одной такой парой. Один канал, под номером 0, соединенный с конечными точками, существует всегда и создается сразу после включения устройства. Это управляющий канал, который используется программным обеспечением USB в процессе инициализации устройства. В ходе этого процесса создаются другие каналы, количество которых зависит от потребностей и сложности устройства.

Слайд 104Информация, пересылаемая через соединения USB, организуется в пакеты, каждый из которых

включает один или несколько байтов данных. Пересылаемую по шине USB информацию можно разделить на две категории: управляющая информация и данные. Управляющие пакеты используются для адресации устройств при инициировании пересылки данных, а также для подтверждения факта получения правильных данных и сообщений об ошибках. Пакеты данных содержат входные и выходные данные, которыми хост обменивается с устройством, и некоторую другую информацию. Каждый пакет состоит из одного или нескольких полей, содержащих разные типы информации.

Слайд 105Шина USB
Форматы пакетов USB: поле идентификатора пакета (а); пакет маркера,

IN или OUT (б); пакет данных (в)

Слайд 106Первое поле любого пакета называется идентификатором и обозначается как PID. Оно

идентифицирует тип пакета. В этом поле четыре бита информации, которые передаются дважды. В первый раз пересылаются их реальные значения, а во второй – дополненные. Это позволяет устройству-получателю проверить достоверность полученного байта PID. Четыре бита PID идентифицируют один из 16 возможных типов пакетов. Некоторые управляющие пакеты, и в частности АСК (Acknowledge – подтверждение), состоят только из байта PID. Пакеты, используемые для управления операциями пересылки данных, называются пакетами маркера. Пакет маркера начинается с поля PID, в котором содержится одно из двух значений, идентифицирующих тип пакета, – IN или OUT.

Слайд 107Пакеты типа IN предназначены для управления операциями ввода, а пакеты типа

OUT – операциями вывода. За полем PID следует 7-разрядный адрес устройства и 4-разрядный номер конечной точки внутри этого устройства. Последние пять разрядов в пакете предназначены для его же проверки на наличие ошибок. Для этой цели предназначен метод, называемый циклическим контролем избыточности (Cyclic Redundancy Check, CRC). Биты CRC вычисляются на основе содержимого полей адреса и конечной точки. С помощью обратного вычисления устройство-получатель может определить наличие ошибок в пакете.

Слайд 108В пакетах, содержащих входные и выходные данные за полем идентификатора пакета

следуют не более 8192 бит данных, затем 16 контрольных битов. Для идентификации пакетов используются три разных значения PID, так что пакеты данных могут иметь номера 0, 1 и 2. Обратите внимание, что пакеты данных не содержат ни адреса устройства, ни номера конечной точки. Такого рода информация включается в пакет IN или OUT, инициировавший пересылку данных.

Слайд 109Одной из задач USB является поддержка устройств для пересылки изохронных данных,

например оцифрованного голоса. Устройствам для управления процессом дискретизации и восстановления сигнала необходима тактовая информация. С этой целью передача данных по шине USB осуществляется по кадрово. Ровно через каждую миллисекунду корневой хаб генерирует пакет SOF, отмечающий начало кадра. Момент прибытия пакета SOF устройство может воспринимать как тактовый сигнал. Для устройств, которым требуются более длительные такты, в пакет SOF включается 11-разрядный номер кадра. Вслед за отправкой пакетов SOF хост выполняет пересылку входных данных изохронным устройствам. Таким образом каждое из подключенных к шине изохронных устройств сможет каждую миллисекунду получать или отправлять данные.

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика