По шине данных осуществляется

Магистраль: шина данных шина адреса и шина управления. Шины периферийных устройств

Вспомним, на прошлом уроке рассматривалось устройство материнской платы. Рассмотрим более подробно, какие же логические устройства можно установить на системную плату, т.к. системная плата наравне с процессором является основным устройством любого современного компьютера. Так же необходимость более подробного знакомства с системной платой обусловлено тем, что на системных платах реализуются шины различных типов. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате, как было сказано на прошлом уроке, устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), вклю­чающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост). (см. рис. 1)

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины — 100 МГц).

К северному мосту подключается шина PCI ( Peripherial Component Interconnect bus — шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше — 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI -контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP ( Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI .

Южный мост обеспечивает обмен информацией между се­верным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD — ROM , DVD — ROM ) подключаются к южному мосту по шине UDMA ( Ultra Direct Memory Access — прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают элек­трические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются после­довательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT , а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB ( Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.

Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2 или USB .

Видео:Как работает LIN шина автомобиля. K-Line L-Line шины данных. Лин шина автомобиля. Lin-bus networkСкачать

Все устройства (модули) компьютера подключаются к магистрали. Однако, непосредственно к магистрали можно подключить лишь процессор и оперативную память, остальные устройства подключаются с помощью специальных согласующих устройств — контроллеров (контроллер клавиатуры, контроллер дисководов, видеоадаптер и т.д.)

Рассмотрим структуру магистрали (системной шины), т.к. модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации.

Магистраль

Магистраль или системная шина — это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Системная магистраль осуществляет обмен данными между процессором или ОЗУ с одной стороны и контроллерами внешних устройств компьютера с другой стороны.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, —

Шины представляют собой многопроводные линии. Тип системных шин, применяемых в компьютерах с невысокой производительностью — ISA. Это дешевая но «малоинтеллектуальная» шина. Она может обеспечивать обмен с клавиатурой, дисплеем (алфавитно-цифровым), дисководами для гибких дискет, принтерами и модемами. Однако ее возможностей не достаточно для работы с дисководами для жестких дисков, видеоконтроллерами, адаптерами локальных сетей и т.п.

Шина MCA — более производительная, но не совместима с ISA, поэтому не нашла широкого применения.

Шина EISA — совместима с ISA , значительно дороже, чем ISA и не всегда обеспечивая нужную скорость обмена.

Шина VESA (VL) — более дешевая шина, используется в сочетании с ISA или с EISA.

Шина PCI — конкурент шины VESA , используется в PENTIUM в сочетании с ISA или EISA.

Рис 2. Магистрально-модульный принцип

Как уже было сказано, подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает — это функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Шина данных

По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении, т. е. шина данных является двунаправленной.

Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники.

За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит.

К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Шина адреса

Шина адреса предназначена для передачи по ней адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор. Адрес на нее выдает всегда только процессор. По шине данных передается вся информация. При операции записи информацию на нее выставляет процессор, а считывает то устройство (например, память или принтер), адрес которого выставлен на шине адреса. При операции чтения информацию выставляет устройство, адрес которого выставлен на шине адреса, а считывает процессор.

Читайте также: Размеры шин митсубиси аутлендер 2018

Таким образом, каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N =2 I , где I — разрядность шины адреса.

Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти:

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 32 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:

N == 2 32 = 4 294 967 296 = 4 Гб

В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются. Несмотря на то, что общий объем адресуемой памяти достигает 4 Гбайт, величина фактически установленной оперативной памяти может быть значительно меньше — 32 Мбайта.

Аппаратно на системных платах реализуются шины различных типов. В компьютерах РС/286 использовалась шина ISA (Industry Standard Architecture), имевшая 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. В компьютерах РС/386 и РС/486 используется шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), имеющая 32-разрядные шины данных и адреса. В компьютерах PC/ Pentium используется шина PCI (Peripheral Component Interconnect), имеющая 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса.

Шина управления

Видео:СПРОСИ ЭКСПЕРТА: Выпуск 1. Чем отличается шина данных от ETL?Скачать

По шине управления передаются сиг­налы такие, например, как сигналы чтения, записи, готовности, определяющие характер обмена информацией по ма­гистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами. Кроме того, каждое внешнее устройство, которому нужно обратиться к процессору, имеет на этой шине собственную линию. Когда периферийное устройство «хочет обратиться» к процессору, оно устанавливает на этой линии специальный сигнал (сигнал прерывания), заметив который, процессор прерывает выполняемые в этот момент действия и обращается (командой чтения или записи) к устройству.

Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти (см. таблицу). Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция – чтение, устройство – ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последний, “увидев” на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реальный процесс значительно подробнее.

Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.

Подчеркнем также, что описанная нами функциональная схема на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче.

Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера.

Таким образом, Все устройства (модули) компьютера подключаются к магистрали. Однако, непосредственно к магистрали можно подключить лишь процессор и оперативную память, остальные устройства подключаются с помощью специальных согласующих устройств — контроллеров (контроллер клавиатуры, контроллер дисководов, видеоадаптер и т.д.)

Необходимость использования контроллеров вызвана тем, что функциональные и технические параметры компонентов компьютера могут существенно различаться, например, их быстродействие. Так, процессор может проводить сотни миллионов операций в секунду, тогда как пользователь может вводить с клавиатуры, в лучшем случае 2-3 знака в секунду. Контроллер клавиатуры как раз и обеспечивает согласование скорости ввода информации со скоростью ее обработки.

Контроллер жестких дисков обычно находится на системной плате. Существуют различные типы контроллеров жестких дисков, которые различаются по количеству подключаемых дисков, скорости обмена информацией, максимальной емкости диска и др.

Интерфейс USB. Часть 2. Как происходит передача данных по шине

Собственно говоря, про то, как происходит передача данных мы уже начали говорить ещё в прошлой статье (помните, мы обсуждали конечные точки, коммуникационные каналы и прочее), просто здесь мы обсудим это более детально и обстоятельно.

Итак, пусть мы хотим из клиентского ПО отправить какие-то данные к конечной точке нашего девайса. Мы посылаем IRP к каналу, который USBD установил с нашей точкой и сообщаем адрес буфера, где лежат данные, которые нам нужно отправить, и размер пересылаемого блока данных. Что происходит с этими данными дальше?

А дальше с ними начинает работать USBD.

Он нарезает наш блок данных на кусочки, которые можно передать за одну транзакцию и, в соответствии с приоритетом выбранного нами для данной конечной точки типа передачи, для каждого кусочка планирует, когда он может его отправить (т.е. планирует транзакции). Далее, в запланированное время он эти кусочки посылает конечной точке. И таким образом всю нашу посылку получит конечная точка.

Здесь у нас всплыл термин «транзакции», поэтому поясню, что это такое. Транзакция — это один сеанс связи с устройством. Поскольку к шине у нас подключено много устройств, то хост физически не может постоянно и одновременно обмениваться данными со всеми этими устройствами. Вместо этого он организует циклы (фреймы, кадры) в каждом из которых осуществляет несколько сеансов связи с различными устройствами. Вот эти сеансы связи и называются транзакциями.

Видео:CAN шина👏 Как это работаетСкачать

Читайте также: Как придать блеск шинам

Кадры следуют друг за другом с периодичностью 1 кадр в мс. Ещё раз замечу, что в одном кадре не обязательно должны присутствовать сеансы связи со всеми устройствами на шине или сразу все кусочки информации, предназначенные для одного устройства. Расписание транзакций планируется USBD с учётом приоритета выбранных типов передач и с какими-то конечными точками хост может не осуществлять транзакций несколько фреймов подряд, даже при наличии запроса на обмен данными с этими точками (помните, мы в первой части обсуждали, что принтер может и подождать, а вот передача музыки в USB колонки ждать никак не может). Образно кадры и транзакции показаны на рисунке справа, подробнее их структуру мы рассмотрим позднее.

Вот теперь, с учётом новой информации, мы можем снова вернуться к типам передач и пропускной способности канала. Что для изохронных передач означает способность занять 90% пропускной способности канала. Это значит, что в каждом кадре 90% времени может быть отведено для транзакций этого типа передач. Аналогично, 10% пропускной способности канала, гарантированных для управляющих передач, означают, что в каждом кадре 10% времени гарантированно могут занять транзакции управляющих передач.

Далее ещё раз внимательно посмотрите на рисунок выше. На рисунке я не случайно выделил небольшие интервалы в начале и в конце каждого кадра. В реальности, в начале и конце каждого кадра тоже выделяются небольшие интервалы времени, которые используются специальным образом.

Начало каждого кадра помечается посылкой специального маркер-пакета SOF (start of frame), в состав которого входят 11 младших бит номера кадра. Этот маркер-пакет используется для синхронизации изохронных точек и хабов. В режиме HS каждый кадр делится на 8 микрокадров по 125 мкс, каждый из которых начинается с посылки маркер-пакета SOF (при этом в SOF всех микрокадров, относящихся к одному кадру, передаётся одинаковый номер).

Интервал времени в конце каждого кадра называется EOF. EOF — это время тишины. До наступления этого времени должны быть завершены все транзакции. Если в это время хаб обнаружит, что в какой-то нисходящий порт ему сыпят данные, то он этот порт просто отключит и сообщит об этом хосту.

Теперь вернёмся к транзакциям и разберём более подробно, что же происходит во время сеанса связи с конечной точкой и из чего состоят транзакции.

Сразу отвечу на второй поставленный нами вопрос — транзакции состоят из пакетов. Если помните, мы уже говорили, что любые сеансы обмена данными могут начинаться только по инициативе хоста. Так вот, любая транзакция начинается хостом. И начинается она с отправки маркер-пакета транзакции, в котором указывается адрес устройства, адрес конечной точки, с которой хост хочет «пообщаться», а также направление передачи данных. Получив такой пакет, адресуемое устройство готовится к обмену. Далее, после небольшого таймаута, следует пакет данных от источника (источник определяется направлением, указанным в маркер-пакете). Для изохронных передач транзакция на этом заканчивается (поскольку им не нужно никаких подтверждений доставки данных). Для всех остальных типов передач в транзакцию входит ещё третий пакет — пакет подтверждения или пакет квитирования (handshake). Для наглядности структура транзакций показана на рисунке ниже.

Далее подробнее поговорим про пакеты. Всего существует 4 типа пакетов: маркер-пакеты (token), пакеты данных (data), пакеты подтверждения (handshake) и специальные пакеты (special). Эти пакеты имеют строго определённую структуру, которая зависит от типа пакета, хотя у всех типов пакетов можно выделить и некоторые общие поля. Общая структура пакетов показана на рисунке справа (для скоростей передачи LS/HS). Пакет можно условно разделить на заголовок (2 байта), имеющий общую для всех пакетов структуру (Sync+PID+Check), и тело, защищённое контрольной суммой. Наличие, размер и структура тела, а также количество бит контрольной суммы зависят от типа пакета.

Итак, любой пакет на LS/FS начинается с 8 бит синхронизации — поле Sync. Для синхронизации используется битовая последовательность b’10000000′. (Для HS длина поля синхронизации составляет 32 бита.)

Далее следует 4 бита идентификатора пакета — PID и его инверсная копия — Check. PID определяет назначение пакета и, соответственно, его последующую структуру. В таблице ниже представлено небольшое описание различных идентификаторов пакетов шины USB.

Читайте также: Размерность шин рено каптур r17

Остальные специальные пакеты не будем рассматривать, поскольку они нам пока не понадобятся.

Идём дальше. Во всех полях пакетов, кроме поля CRC, данные передаются младшим битом вперёд.

Видео:Урок №18. Цифровые интерфейсы современного автомобиля: шины данных CAN и LINСкачать

Все пакеты состоят из целого числа байт (разрядность полей, входящих в пакет, специально так подобрана, чтобы сумма разрядов всех этих полей была кратна восьми).

Все пакеты заканчиваются специальным сигналом EOP, для LS/FS этот сигнал длится 2 битовых интервала (позже, когда дойдём до физики, мы рассмотрим, как формируется этот сигнал), для HS — таким специальным сигналом является передача определённой последовательности бит.

Передаваемые по шине данные кодируются по методу NRZI с техникой вставки бит (bit stuffing). Расшифруем что это значит. Это значит, что при передаче нулевого бита состояние сигнала на шине меняется на противоположное, а при перередаче единицы — состояние сигнала не меняется. Вставка бит используется для того, чтобы не потерять синхронизацию при монотонном единичном сигнале. Суть этой вставки сводится к тому, что после каждых 6 подряд единиц в передаваемые данные вставляется нулевой бит, независимо от того, какое значение имеет бит, следующий за этой группой единиц. (чтобы использовать NRZI и технику bit staffing — придётся разработать специальную процедурку для перекодирования передаваемых и принимаемых данных. )

Кроме того, нам нужно уметь вычислять CRC5 и CRC16. Вычисление CRC вообще отдельная тема, про неё подробно написано тут. А вот тут можно найти специальные процедурки для вычисления наших CRC5 и CRC16 .

Теперь поговорим про интервал ожидания (помните, на рисунке со структурой транзакций, между пакетами нарисованы небольшие интервалы). Вот давайте поговорим, откуда они и зачем. Как все мы понимаем, сигнал не может дойти от источника до приёмника мгновенно. Во-первых, задержку вносят кабели, во-вторых, задержку вносят хабы (они, как мы помним, должны принять сигнал от источника и ретранслировать его приёмнику), в-третьих, нужно учитывать, что хабов в цепочке от хоста до устройства может быть несколько, ну и наконец, нужно понимать, что приёмник должен иметь некоторое время, чтобы «осмыслить» принятый пакет, решить есть ли в нём ошибки, кому он предназначен и т.д.

Таким образом, ответный пакет источник не может получить мгновенно, потому что приёмнику нужно время чтобы «подумать» над ответом, и всей этой транспортной сети нужно время чтобы «доставить» ответ. С другой стороны, ответ нельзя ждать бесконечно долго, вдруг он вообще не придёт.

Поэтому в устройствах USB нормируется, во-первых, «максимальное время оборота по шине» — это время, за которое данные должны добежать до приёмника и вернуться назад к источнику в самом худшем случае — при прохождении последовательно через 5 хабов (время на то, чтобы «доставить»), и, во-вторых, «максимальная задержка ответа» — максимальное время от конца увиденного EOP до начала передачи ответного пакета (время на то, чтобы «подумать»). В устройствах при ожидании пакета запускаются специальные таймеры, которые отсчитывают интервал, достаточный для формирования ответа и его доставки, и если ответ за это время не получен — это воспринимается как ошибка.

Для FS интервал ожидания составляет 16-18 битовых интервалов, для HS — 736-816 битовых интервалов. Максимальное время, за которое мы должны всё обдумать и начать посылать ответ, составляет 7,5 битовых интервалов на FS и 192 битовых интервала для HS.

Ну и раз уж мы заговорили про битовые интервалы, то следует сказать, что длительность битового интервала для скорости LS составляет примерно 667 нс (1,5 Мбит/с), для FS примерно 83 нс, для HS примерно 2 нс.

Ещё один интересный вопрос. Зачем придумали аж целых 4 идентификатора пакетов данных? Сделали это вот почему. При передачах типа bulk (массивы), control (управляющие) и interrupt (прерывания) приёмник после получения пакета данных должен послать назад к источнику пакет подтверждения. Этот пакет подтверждения (так же, как и сам пакет данных) может испортиться. А если источник не получит подтверждения успешной передачи пакета данных, то в следующей транзакции он повторит отправку отправку этого пакета. Чтобы приёмник понял, что он эти данные уже получал, пакеты данных посылают с чередующимся PID. Чётные пакеты посылают с PID Data0, а нечётные — с PID Data1. Таким образом, получив два раза пакет данных с одним и тем же PID, приёмник понимает, что это не какие-то новые данные, а просто повторная отправка предыдущего пакета, потому что источник в предыдущей транзакции не увидел пакет подтверждения. Специальный бит в конечной точке, который указывает, пакет данных с каким PID мы ждём, называется Toggle Bit.

Ладно, с Data0, Data1 всё ясно, а для чего нужны PID Data2 и MData? Да примерно для того же самого. Они позволяют различить пакеты данных внутри микрокадра для широкополосных изохронных точек (USB2.0).

Ну, на этом пожалуй хватит про всякие транзакции и пакеты (если что — потом допишем), перейдём теперь к самому низкому уровню реализации — к физике.

С точки зрения физики в USB всё достаточно просто. Для связи по USB используются 4 провода: +5В, D+, D- и GND. Эти провода имеют стандартную цветовую маркировку: красный провод — это +5В, чёрный — GND, зелёный — D+, белый — D-.

Видео:Шины данных и интеграции | ESB шина данных | Интеграция 1С ERPСкачать

Для передачи битов используется дифференциальный сигнал между проводами D+ и D-. Провода +5В и GND используются для питания устройства, а так же для индикации некоторых специальных состояний (вместе с D+ и D-).

На линиях D+ и D- высокий уровень соответствует напряжению +3,3 В (от 2,7 до 3,6).

Дифференциальный сигнал, при котором разница между D+ и D- больше 200 мВ при уровне напряжения на линии D+ > 2В называется Diff1.

Дифференциальный сигнал, при котором разница между D- и D+ больше 200 мВ при уровне напряжения на линии D- > 2В называется Diff0.

Состояние, когда на обоих сигнальных линиях присутствует низкий уровень относительно GND (D+

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

📸 Видео

поиск нерабочей can шины, часть дваСкачать

Системная шина процессораСкачать

АЗЫ ДИАГНОСТИКИ. Шины передачи данных. Часть 3. Шина LinСкачать

лекция 417 Чтение и запись данных на общую шинуСкачать

Межсервисная шина данных на Apache Kafka | Павел Агалецкий | DevOps Meetup 2022| СберМаркет TechСкачать

С чего начать ремонт ЭБУ: Типы шин данных, CANСкачать

Подробно про CAN шинуСкачать

Оживление по шине LIN блока кнопок стеклоподъемников от Mercedes Benz W220Скачать

Структура шин данных BMWСкачать

Как использовать шину данных для передачи значений между компонентамиСкачать

Шина данных i2c - декодируем/синхронизируем с помощью осциллографа Lecroy!Скачать

Экспресс диагностика CAN шины на автомобиле. №21Скачать

Плюсы и минусы сервисной шины данных I Enterprise service bus (ESB) I kt.teamСкачать