Принцип обмена данных по шине

Самое главное, что должен знать разработчик микропроцессорных систем — это принципы организации обмена информацией по шинам таких систем. Без этого невозможно разработать аппаратную часть системы, а без аппаратной части не будет работать никакое программное обеспечение.

За более чем 30 лет, прошедших с момента появления первых микропроцессоров, были выработаны определенные правила обмена, которым следуют и разработчики новых микропроцессорных систем. Правила эти не слишком сложны, но твердо знать и неукоснительно соблюдать их для успешной работы необходимо. Как показала практика, принципы организации обмена по шинам гораздо важнее, чем особенности конкретных микропроцессоров. Стандартные системные магистрали живут гораздо дольше, чем тот или иной процессор. Разработчики новых процессоров ориентируются на уже существующие стандарты магистрали. Более того, некоторые системы на основе совершенно разных процессоров используют одну и ту же системную магистраль. То есть магистраль оказывается самым главным системообразующим фактором в микропроцессорных системах.

Обмен информацией в микропроцессорных системах происходит в циклах обмена информацией. Под циклом обмена информацией понимается временной интервал, в течение которого происходит выполнение одной элементарной операции обмена по шине. Например, пересылка кода данных из процессора в память или же пересылка кода данных из устройства ввода/вывода в процессор. В пределах одного цикла также может передаваться и несколько кодов данных, даже целый массив данных, но это встречается реже.

Циклы обмена информацией делятся на два основных типа:

• Цикл записи (вывода), в котором процессор записывает (выводит) информацию;
• Цикл чтения (ввода), в котором процессор читает (вводит) информацию.

В некоторых микропроцессорных системах существует также цикл «чтение-модификация-запись» или же «ввод-пауза-вывод». В этих циклах процессор сначала читает информацию из памяти или устройства ввода/вывода, затем как-то преобразует ее и снова записывает по тому же адресу. Например, процессор может прочитать код из ячейки памяти, увеличить его на единицу и снова записать в эту же ячейку памяти. Наличие или отсутствие данного типа цикла связано с особенностями используемого процессора.

Особое место занимают циклы прямого доступа к памяти (если режим ПДП в системе предусмотрен) и циклы запроса и предоставления прерывания (если прерывания в системе есть). Когда в дальнейшем речь пойдет о таких циклах, это будет специально оговорено.

Во время каждого цикла устройства, участвующие в обмене информацией, передают друг другу информационные и управляющие сигналы в строго установленном порядке или, как еще говорят, в соответствии с принятым протоколом обмена информацией.

Длительность цикла обмена может быть постоянной или переменной, но она всегда включает в себя несколько периодов сигнала тактовой частоты системы. То есть даже в идеальном случае частота чтения информации процессором и частота записи информации оказываются в несколько раз меньше тактовой частоты системы.

Чтение кодов команд из памяти системы также производится с помощью циклов чтения. Поэтому в случае одношинной архитектуры на системной магистрали чередуются циклы чтения команд и циклы пересылки (чтения и записи) данных, но протоколы обмена остаются неизменными независимо от того, что передается — данные или команды. В случае двухшинной архитектуры циклы чтения команд и записи или чтения данных разделяются по разным шинам и могут выполняться одновременно.

2.1. Шины микропроцессорной системы

Видео:Лекция 308. Шина I2CСкачать

Прежде чем переходить к особенностям циклов обмена, остановимся подробнее на составе и назначении различных шин микропроцессорной системы.

Как уже упоминалось, в системную магистраль (системную шину) микропроцессорной системы входит три основные информационные шины: адреса, данных и управления.

Шина данных — это основная шина, ради которой и создается вся система. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена, а также максимально возможное количество команд.

Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает передачу информации в обоих направлениях. Наиболее часто встречающийся тип выходного каскада для линий этой шины — выход с тремя состояниями.

Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной — только один байт. Разрядность шины данных определяет и разрядность всей магистрали. Например, когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную шину данных.

Шина адреса — вторая по важности шина, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2N, где N — количество разрядов. Например, 16-разрядная шина адреса обеспечивает 65 536 адресов. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64. Шина адреса может быть однонаправленной (когда магистралью всегда управляет только процессор) или двунаправленной (когда процессор может временно передавать управление магистралью другому устройству, например контроллеру ПДП). Наиболее часто используются типы выходных каскадов с тремя состояниями или обычные ТТЛ (с двумя состояниями).

Как в шине данных, так и в шине адреса может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий — логическому нулю. При отрицательной логике — наоборот. В большинстве случаев уровни сигналов на шинах — ТТЛ.

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена (рис. 2.1). По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные.

Читайте также: Протекторы шин тех дизайн

Рис. 2.1. Мультиплексирование шин адреса и данных.

В некоторых мультиплексированных магистралях после одного кода адреса передается несколько кодов данных (массив данных). Это позволяет существенно повысить быстродействие магистрали. Иногда в магистралях применяется частичное мультиплексирование, то есть часть разрядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть — по мультиплексированным с адресом линиям.

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

Шина управления — это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип текущего цикла и фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям или стадиям цикла. Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя, slave). Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предоставление прямого доступа.

Сигналы шины управления могут передаваться как в положительной логике (реже), так и в отрицательной логике (чаще). Линии шины управления могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными. Типы выходных каскадов могут быть самыми разными: с двумя состояниями (для однонаправленных линий), с тремя состояниями (для двунаправленных линий), с открытым коллектором (для двунаправленных и мультиплексированных линий).

Самые главные управляющие сигналы — это стробы обмена, то есть сигналы, формируемые процессором и определяющие моменты времени, в которые производится пересылка данных по шине данных, обмен данными. Чаще всего в магистрали используются два различных строба обмена:

• Строб записи (вывода), который определяет момент времени, когда устройство-исполнитель может принимать данные, выставленные процессором на шину данных;
• Строб чтения (ввода), который определяет момент времени, когда устройство-исполнитель должно выдать на шину данных код данных, который буде прочитан процессором.

При этом большое значение имеет то, как процессор заканчивает обмен в пределах цикла, в какой момент он снимает свой строб обмена. Возможны два пути решения (рис. 2.2):

• При синхронном обмене процессор заканчивает обмен данными самостоятельно, через раз и навсегда установленный временной интервал выдержки (t_выд), то есть без учета интересов устройства-исполнителя;
• При асинхронном обмене процессор заканчивает обмен только тогда, когда устройство-исполнитель подтверждает выполнение операции специальным сигналом (так называемый режим handshake — рукопожатие).

Рис. 2.2. Синхронный обмен и асинхронный обмен.

Достоинства синхронного обмена — более простой протокол обмена, меньшее количество управляющих сигналов. Недостатки — отсутствие гарантии, что исполнитель выполнил требуемую операцию, а также высокие требования к быстродействию исполнителя.

Достоинства асинхронного обмена — более надежная пересылка данных, возможность работы с самыми разными по быстродействию исполнителями. Недостаток — необходимость формирования сигнала подтверждения всеми исполнителями, то есть дополнительные аппаратурные затраты.

Какой тип обмена быстрее, синхронный или асинхронный? Ответ на этот вопрос неоднозначен. С одной стороны, при асинхронном обмене требуется какое-то время на выработку, передачу дополнительного сигнала и на его обработку процессором. С другой стороны, при синхронном обмене приходится искусственно увеличивать длительность строба обмена для соответствия требованиям большего числа исполнителей, чтобы они успевали обмениваться информацией в темпе процессора. Поэтому иногда в магистрали предусматривают возможность как синхронного, так и асинхронного обмена, причем синхронный обмен является основным и довольно быстрым, а асинхронный применяется только для медленных исполнителей.

По используемому типу обмена магистрали микропроцессорных систем также делятся на синхронные и асинхронные.

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

Видео:Лекция 276. Способы передачи данных по Общей шинеСкачать

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.

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.

Читайте также: Ванли шины китайского производства

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.

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

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.

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.

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

Читайте также: Нагрев шин при движении автомобиля

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 .

Видео:CAN шина👏 Как это работаетСкачать

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-.

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).

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

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

лекция 403 CAN шина- введениеСкачать

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

MCP2515, контроллер CAN шины с интерфейсом SPIСкачать

лекция 314. Транзакции на шине USBСкачать

Цифровые интерфейсы и протоколыСкачать

Передача данных - шина SPIСкачать

Кан шина, что это? Поймет школьник! принцип работыСкачать

С чего начать ремонт ЭБУ: Типы шин данных, CANСкачать

Лекция 310. Шина USB - функциональная схемаСкачать

Введение в шину I2CСкачать

Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать

Цифровая шина НЕРВ. Обмен информацией между устройствами РЗА.Скачать

Виды топологий локальных сетей | Звезда, кольцо, шинаСкачать