Вопросы к экзамену по курсу “ Интерфейсы периферийных устройств “ (стр. 1 )

Вопросы к экзамену по курсу “ Интерфейсы периферийных устройств “.

Вопросы к экзамену по курсу “ Интерфейсы периферийных устройств “. 1

1.Интерфейсы вычислительных систем. Общие положения. Способы подключения. 2

2.Электрические параметры интерфейсов. Обеспечение гальванической развязки. 3

3. Токовые интерфейсы. Интерфейсы с выходом по напряжению.. 4

4. Интерфейс Rs 232 ( Контакты разъема и назначение сигналов ) 7

5. Асинхронный формат передачи данных. 9

6. Электрические параметры Com порта. 11

7. Последовательные интерфейсы Rs 422 и Rs 485. 11

8. Интерфейс Cetronics. 13

9. Режимы SPP и NibbleMode параллельного порта. 14

Nibble Mode. 16

10. Режим Byte Mode параллельного порта. 17

11. Режим ECP параллельного порта. 18

12. Режим EPP параллельного порта. 19

13. Последовательность согласований согласно IEEE 1284. 23

(NULL!) 14. Электрические характеристики LPT порта. 24

(NULL!) 15. Протокол работы шины ISA.. 24

16. Организация прерываний в шине ISA.. 24

17. Прямой доступ к памяти в интерфейсе ISA.. 25

(NULL!) 18. Электрические характеристики и назначение контактов разъема IS. 26

1.Интерфейсы вычислительных систем. Общие положения. Способы подключения

Интерфейсы – связь одного объекта с другим.

По своему характеру любой интерфейс можно разделить на две части:

1)  Логическая организация интерфейса – алгоритм обмена данными, который используется в данном интерфейсе.

2)  Электрическая часть – описывает вид, форму и частоту сигналов, определяет максимально возможное число участников обмена и накладывает ограничения на удаленность связываемых объектов друг относительно друга.

По своему предназначению интерфейсы можно разделить на:

1)  Внутриприборные [приборные] – интерфейсы, электрические сигналы которых не предполагают вывод сигналов на разъемы, т. е. предполагается лишь наилучший способ прохождения сигнала. Это означает, что сигнал не защищен от помех и наличия паразитных емкостей, сопротивления и индуктивностей, что может сорвать обмен.

2)  Внешние.

Любые интерфейсы могут быть:

1)  Параллельными.

2)  Последовательными.

По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В I2C традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами, шины ATA, SCSI и все шины расширения. В последовательном интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной (возможно, и двухпроводной) линии. Эта линия может быть как однонаправленной (например, в RS-232C, реализуемой СОМ-портом, шине Fire Wire, SPI, JTAG), так и двунаправленной (USB, 12С).

При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способ­ность. Технический прогресс приводит к неуклонному росту объемов передаваемой информации. Если раньше матричные принтеры, печатающие в символьном режи­ме, могли обходиться и СОМ-портом с невысокой пропускной способностью, то современным лазерным принтерам при высоком разрешении не хватает произво­дительности даже самых быстрых LPT-портов.

Вполне очевидно, что при одинаковом быстродействии приемопередающих цепей и пропускной способности соединительных линий по скорости передачи параллель­ный интерфейс должен превосходить последовательный. Однако повышение про­изводительности за счет увеличения тактовой частоты передачи данных упирается в волновые свойства соединительных кабелей. В случае параллельного интерфей­са начинают сказываться задержки сигналов при их прохождении по линиям ка­беля и, что самое неприятное, задержки в разных линиях интерфейса могут быть различными вследствие неидентичности проводов и контактов разъемов. Для на­дежной передачи данных временные диаграммы обмена строятся с учетом возмож­ного разброса времени прохождения сигналов, что является одним из факторов, сдерживающих рост пропускной способности параллельных интерфейсов.

Немаловажен для интерфейса контроль достоверности передачи данных, который, увы, имеется далеко не везде. «Ветераном» контроля является шина SCSI с ее битом паритета (который незадачливые пользователи иногда норовят отключить, «чтоб не сбоило»); контроль паритета применяется и в последовательных интерфейсах, и в шине PCI. Шина ISA в этом плане беззащитна, как и ее «потомок» — интер­фейс АТА, в котором до UltraDMA контроля достоверности не было. В новых интерфейсах контролю достоверности уделяется серьезное внимание, поскольку они, как правило, рассчитываются на экстремальные условия работы (высокие частоты, большие расстояния и помехи). Контроль достоверности может произ­водиться и на более высоких протокольных уровнях (контроль целостности паке­тов и их полей), но на аппаратном уровне он работает, естественно, быстрее.

Раз­личают три возможных режима обмена устройств — дуплексный, полудуплексный и симп­лексный. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если значения пропускной способности в направлениях «туда» и «обратно» суще­ственно различаются, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет пере­давать информацию «туда» и «обратно» поочередно. Симплексный - односторонний (во встреч­ном направлении передаются только вспомогательные сигналы интерфейса).

Другим немаловажным параметром интерфейса является допустимое удаление
соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей,
так и помехозащищенностью интерфейсов. Часть помех возникает от соседних ли­
ний интерфейса — это перекрестные помехи, защитой от которых может быть
применение витых пар проводов для каждой линии. Другая часть помех вызыва­
ется искажением уровней сигналов.

2.Электрические параметры интерфейсов. Обеспечение гальванической развязки.

Гальваническая развязка сигнальных цепей — это отсутствие связи по постоянно­му току между ними, «схемной землей» и другими питающими шинами. При нали­чии гальванической развязки потенциал сигнальных цепей относительно «схемной земли» может быть весьма значительным, но не должен превышать напряжения изоляции, допустимого для данного интерфейса. Гальваническая развязка может обеспечиваться разными способами, применимость их зависит от требований к напряжению изоляции и особенностей интерфейсных сигналов.

Оптическая развязка позволяет передавать дискретные сигналы в широком диа­пазоне частот, от постоянного тока до предела, обусловленного быстродействием приемника. Оптическая развязка может выполняться на оптронах — комбинаци­ях излучателя (светодиода) и приемника (фотодиода, фототранзистора с усилителем-формирователем) в одной микросхеме. Напряжение изоляции может до­стигать 1-1,5 кВ, максимальная частота — от десятков кГц до десятков МГц. Оп-тронная развязка применяется, например, в интерфейсах «токовая петля», MIDI. Еще лучшую развязку (по напряжению) обеспечивают интерфейсы с оптоволо­конной связью, где между излучателем и приемником располагается оптический кабель с коннекторами. Такая связь применяется в линиях Fiber Channel, опти­ческих версиях Ethernet (и других сетевых технологиях), а также цифровой аудио-технике (S/PDIF). Полоса частот может достигать единиц и десятков Гигагерц, но это требует дорогостоящих излучателей и приемников. В оптических интер­фейсах используется стеклянное и пластиковое волокно. Стеклянное волокно позволяет обеспечивать большую дальность связи, но все компоненты довольно дороги, а оконцовка волокна разъемами — довольно сложная процедура, которая может упрощаться за счет применения дорогих компонентов. Если дальность свя­зи ограничивается единицами-десятками метров, то применяют гораздо более дешевое пластиковое волокно.

Трансформаторная развязка не позволяет передавать сигналы постоянного тока, но она гораздо дешевле оптической, и достижение высоких частот здесь не имеет столь существенных проблем. Напряжение изоляции разделительных трансфор­маторов, применяемых в интерфейсных схемах, составляет 0,5-2,5 кВ. Трансфор­маторная развязка применяется в локальных сетях (все адаптеры электрических версий Ethernet имеют импульсные трансформаторы во входных и выходных це­пях), в Fibre Channel, модемах для телефонных и выделенных линий, цифровой аудиотехнике (S/PDIF).

Конденсаторная развязка — самый дешевый, но и неэффективный способ развяз­ки, практически не защищающий от помех в интерфейсах. Такая развязка может применяться в дешевых устройствах Fire Wire.

Гальваническая развязка применяется также в источниках питания, где она необ­ходима для обеспечения безопасности работы с устройствами. Гальваническая развязка между входом и выходом имеется у всех источников питания, в которых используются трансформаторы. У источников с трансформаторным входом на первичную обмотку трансформатора подается входное напряжение переменного тока (110-240 В, 50-60 Гц), а ко вторичной обмотке подключается выпрямитель (и стабилизатор напряжения, если имеется). У источников с бестрансформатор­ным входом основная часть схемы (выпрямитель, преобразователь-стабилизатор) не развязана с входом; отсутствие трансформатора позволяет им работать и от сети постоянного тока.

3. Токовые интерфейсы. Интерфейсы с выходом по напряжению

В случае если интерфейс использует для работы специально выделенные линии, то он называется связным.

Сигнал по проводным интерфейсам можно передавать двумя способами:

1)  Напряжением.

2)  Током.

Рис. 1

Наиболее приближенными к идеальным источникам являются повторители сигналов.

схема распространения не получила из-за недостатков (транзисторный повторитель)

Uэ<Uб; Rвх ® 1цы-10киОм.

Рис. 2.

Uэ=Uвх

Рис. 3

Режим шины – один и тот же провод в разные моменты времени разные устройства могут использовать по своему усмотрению.

­накладывает серьезные ограничения.

Сигнал передается не уровнем , а направлением (более надежно).

Рис. 4

Можно использовать схему со встроенными ключами.

 

при этом ИН не выйдет из строя.

Рис. 5

Большинство данных проблем решает передача информации светом.

Световой поток не подвержен влиянию помех в оптоволоконном кабеле.

Рис. 6

Дальность передачи сравнительно высока при конкурентоспособном уровне затрат.

Использование источников тока

ИТ менее капризны к линиям.

Рис. 7

Например:

или

Рис. 8

Недостаток: Конечность внутреннего сопротивления ИТ.

«-» такой топологии, что ее нельзя выносить на внешние интерфейсы.

Рис. 9

Т. к. каждый проводник представляет собой емкость, данную топологию невозможно применить на частотах выше 1МГц.

Предпочтительнее использование двух ключей :

Данной схеме присущи все недостатки ИН.

Рис. 10

Выгоднее использовать дифференциальные линии – два проводника с инверсными друг относительно друга сигналами.

4. Интерфейс Rs 232 ( Контакты разъема и назначение сигналов )

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные ( ООД — оконечное оборудование данных, или АПД — аппара­тура передачи данных; DTE — Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных {АКД; DCE—Data Communication Equipment). В роли АПД может вы­ступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Полная схема соединения приведена на рис. 2.1; интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АКД, соеди­нив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, элек­трический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим.

Стандарт RS-232C описывает несимметричные передатчики и приемники — сиг­нал передается относительно общего провода — схемной земли. Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логиче­ской единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне от -12 до -3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включе­но»), для линий последовательных данных — MARK. Логическому нулю соответ­ствует диапазон от +3 до +12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF («выключено»), а для линий последовательных данных — SPACE. Диапазон от -3 до +3 В — зона нечувствительности, обусловливающая гистере­зис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пере­сечения порога (рис. 2.3). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от -12 до -5 В и от +5 до +12 В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединя­емых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Интерфейс предполагает наличие защитного заземления для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов.

Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem, или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестно по одной из схем, приведенных на рис. 2.5.

Рис. 2.3. Прием сигналов RS-232C

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмот­рим с точки зрения СОМ-порта PC. Для удобства будем пользоваться мнемони­кой названий, принятой в описаниях СОМ-портов и большинства устройств (она отличается от безликих обозначений RS-232 и V.24). Напомним, что активному состоянию сигнала («включено») и логической единице передаваемых данных со­ответствует отрицательный потенциал (ниже -3 В) сигнала интерфейса, а состо­янию «выключено» и логическому нулю — положительный (выше +3 В). Назначе­ние сигналов интерфейса приведено в табл. 2.2. Нормальную последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к СОМ-порту иллю­стрирует рис. 2.6.

Таблица 2.2. Назначение сигналов интерфейса RS-232C

Сигнал Назначение

PG Protected Ground — защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля

SG Signal Ground — сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов

TD Transmit Data — последовательные данные — выход передатчика

RD Receive Data — последовательные данные — вход приемника

RTS Request To Send — выход запроса передачи данных: состояние «включено»

уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением — состояние «включено» служит сигналом модему на переключение в режим передачи

CIS Clear To Send — вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние

«выключено» запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных

DSR Data Set Ready — вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала)

DTR Data Terminal Ready — выход сигнала готовности терминала к обмену данными.

Состояние «включено» поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения

DCD Data Carrier Detected — вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема

Rl Ring Indicator — вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим

сигналом модем сигнализирует о принятии вызова

 

3 4

7 8

9 1

11

DTR

Рис. 2.6. Последовательность управляющих сигналов интерфейса

1.  Установкой DTR компьютер указывает на желание использовать модем.

2.  Установкой DSR модем сигнализирует о своей готовности и установлении со­единения.

3.  Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.

4.  Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от ком­пьютера и передаче их в линию.

5.  Снятием CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (напри­мер, буфер заполнен) — компьютер должен приостановить передачу данных.

6.  Сигналом CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).

7.  Снятие RTS может означать как заполнение буфера компьютера (модем дол­жен приостановить передачу данных в компьютер), так и отсутствие данных для передачи в модем. Обычно в этом случае модем прекращает пересылку данных в компьютер.

8.  Модем подтверждает снятие RTS сбросом CTS.

9.  Компьютер повторно устанавливает RTS для возобновления передачи.

10.  Модем подтверждает готовность к этим действиям.

11.  Компьютер указывает на завершение обмена.

12.  Модем отвечает подтверждением.

13.  Компьютер снимает DTR, что обычно является сигналом на разрыв соедине­ния («повесить трубку»).

14.  Модем сбросом DSR сигнализирует о разрыве соединения.

XON/XOFF – специальные символы начала/конца передачи.

Передающее устройство в начале передачи передает символ XON. Принимающее устройство если не готово принять данные – посылает XOFF, если готово – XON.

XON=11h зарезервировано

XOFF=13h

Было принято решение разделить таблицу сообщений на два типа:

ü  управляющие;

ü  данные.

Для этого была придумана ASCII:

ü  0…9®30-39h;

ü  A…F®41-46h.

Пример:AAh(1 байт)=41h 41h(2 байта).

Тем самым эффективная скорость передачи снижается в два раза.

Физически данные передаются в линии с использованием NRZ кода.

NRZ предполагает кодирование логических значений физическим уровнем.

Start и Stop биты необходимы для:

·  указания начала/конца передачи;

·  синхронизации.

Был придуман Манчестерский код, биты в котором кодируются фронтами, т. е. на каждый бит приходится смена уровня сигнала.

Формально интерфейс RS-232 представляет из себя:

5. Асинхронный формат передачи данных

Асинхронный режим передачи является байт-ориентированным (символьно-ори­ентированным): минимальная пересылаемая единица информации — один байт (один символ). Формат посылки байта иллюстрирует рис. 2.12. Передача каждо­го байта начинается со старт-бита, сигнализирующего приемнику о начале посыл­ки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками. Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой меха­низм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена. Внутренний генера­тор синхронизации приемника использует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема начала старт-бита. Этот счетчик генерирует внут­ренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позво­ляет принимать данные и при незначительном рассогласовании скоростей при­емника и передатчика. Очевидно, что при передаче 8 бит данных, одного конт­рольного и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при котором данные будут распознаны верно, не может превышать 5 %. С учетом фазовых искажений и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение частот. Чем меньше коэффициент деле­ния опорной частоты внутреннего генератора (чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интервала, и требова­ния к согласованности частот становятся более строгие. Чем выше частота пере­дачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала.

Взаимодействие этих факторов приводит к повышению требований к согласован­ности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена.

Рис. 2.12. Формат асинхронной передачи RS-232C

Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи.

♦  Если принят перепад, сигнализирующий о начале посылки, а по стробу старт-
бита зафиксирован уровень логической единицы, старт-бит считается ложным
и приемник снова переходит в состояние ожидания. Об этой ошибке прием­
ник может не сообщать.

♦  Если во время, отведенное под стоп-бит, обнаружен уровень логического нуля,
фиксируется ошибка стоп-бита.

♦  Если применяется контроль четности, то после посылки бит данных передает­
ся контрольный бит. Этот бит дополняет количество единичных бит данных
до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием бай­
та с неверным значением контрольного бита приводит к фиксации ошибки.

♦  Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии: как правило, при
обрыве приемник «видит» логический нуль, который сначала трактуется как
старт-бит и нулевые биты данных, но потом срабатывает контроль стоп-бита.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50,75,110, 150, 300,600,1200,2400,4800,9600,19200,38400, 57600 и 115200 бит/с. Иногда вместо единицы измерения «бит/с» используют «бод» (baud), но при рассмотре­нии двоичных передаваемых сигналов это некорректно. В бодах принято измерять частоту изменения состояния линии, а при недвоичном способе кодирования (ши­роко применяемом в современных модемах) в канале связи скорости передачи бит (бит/с) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз.

Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форматы распространены незначительно). Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 или 2 («полтора бита» означает только длительность стопового интервала).

6. Электрические параметры Com порта

Логические уровни передатчика: "0" – от +5 до +15 Вольт, "1" – от -5 до -15 Вольт.

Логические уровни приемника: "0" – выше +3 Вольт, "1" – ниже -3 Вольт.

Максимальная нагрузка на передатчик: входное сопротивление приемника не менее 3 кОм.

Данные характеристики определены стандартом как минимальные, гарантирующие совместимость устройств, однако реальные характеристики обычно существенно лучше, что позволяет, с одной стороны, питать маломощные устройства от порта (например, так спроектированы многочисленные самодельные data-кабели для сотовых телефонов), а с другой – подавать на вход порта инвертированный TTL-уровень вместо двуполярного сигнала.

7. Последовательные интерфейсы Rs 422 и Rs 485

Интерфейсы EIA-RS-422 (ITU-T V. ll, X.27) и EIA-RS-485 (ISO 8482) используют симметричную передачу сигнала и допускают как двухточечную, так и шинную топологию соединений. В них информативной является разность потенциалов между проводниками А и В. Если на входе приемника UA-UB>0,2 В (А положи-тельнее В) — состояние «выключено» (space), UA-UB<-0,2 В (А отрицатель­нее В) — состояние «включено» (mark). Диапазон |UA-UB|<0,2 В является зоной нечувствительности (гистерезис), защищающей от воздействия помех. На выхо­дах передатчика сигналы UA и UB обычно переключаются между уровнями 0 и +5 В (КМОП) или +1 и +4 В (ТТЛ), дифференциальное выходное напряжение долж­но лежать в диапазоне 1,5-5 В. Выходное сопротивление передатчиков 100 Ом. Интерфейсы электрически совместимы между собой, хотя и имеют некоторые различия в ограничениях. Принципиальное отличие передатчиков RS-485 — воз­можность переключения в третье состояние. Передатчики RS-422/485 совместимы с приемниками RS-423. Основные параметры интерфейсов приведены в табл. 2.3, топологию соединений иллюстрирует рис. 2.9.

Чтобы увеличить число узлов, можно повысить входное сопротивление приемни­ков, но при этом снижается допустимая скорость или максимально возможная дальность передачи. Максимальная скорость передачи на коротких расстояниях (до 10 м) ограничивается быстродействием передатчиков (достижима частота 25 МГц). На средних расстояниях ограничение определяется емкостью кабеля (1200 бит/с - 25 нФ, 9600 бит/с - 30 нФ, 115 кбит/с -250 пФ). Максимальная дальность (1200 м) ограничена сопротивлением петли постоянному току.

Таблица 2.3. Параметры интерфейсов RS-422 и RS-485
Параметр____________________________________ RS-422____________ RS-485_____________

0,2	0,2
-6,8...+6,8	-6,8...+11,8
-7...+7	-7...+12
4	12
10060	60
1 передатчик	32 (передатчиков,
+10 приемников	приемников или
	их комбинаций)
1кбит/с)	1кбит/с)
12(10Мбит/с)	12(10Мбит/с)
На дальнем конце	На обоих концах
от передатчика
<150Ha шинуGND	<250 на шину
	с потенциалом
	-7...+12 Вили между
	проводами А и В

Порог срабатывания, |UA-UB|,В Допустимое напряжение синфазной помехи, В1 Допустимое напряжение на входах, В1 Входное сопротивление приемника, кОм