slike bài giảng kỹ thuật ghép nối máy tính - bùi quốc anh chương 4 io interface bus overview

Thiết bị chuẩn interface USB theo: Tín hiệu vi sai phát/ thu, bọc kim, chống nhiễu CRC Protection đ/v data & control fields Tự phát hiện attach/ detach, xác định cấu hình các thiết bị tự

P&I Ch4 - Bus 1

CH 4 I/O INTERFACE BUS OVERVIEW

GIỚI THIỆU BUS CHUẨN CHO GHÉP NỐI, MỞ RỘNG:

– ISA/ PC-104 – AT bus

– USB (Universal Serial Bus)

– Philips I2C

– PCI (Peripheral Component Interconnect)

– SCSI (Small Computer Systems Interface)

– GPIB (General Purpose Interface Bus)

– Field buses: Siemens PROFIBUS, ASi bus, Multi Point

– IEEE 1394

– Ethernet IEEE 802.x: IP RTU and IP devices

–

4.0 KHÁI NIỆM VỀ BUS:

• Là: PCB (Printed Circuit Board), Cable (Copper/

Optic), Slot, Connector

• Nối nhiều thiết bị slave [master], dùng chung: trong 1

thời điểm chỉ có 1 talker – 1 hoặc nhiều listener

• Bus song song (n bit như ISA, PCI, GPIB, SCSI…) hoặc

nối tiếp (I2C, USB, SSA, Profi, ASi, IEEE 1394 )

• IO Buses vs Mem/CPU/Local Buses

• Thành phần (physical lines/ time sharing):

– Address

– Data

– Control/ Status/Handshake/data check

– [Power supply]

P&I Ch4 - Bus 3

Phân loại bus

• Bus size: data 8, 16, 32 bit ~ 16/24/32 Address bus, các bus nối

tiếp khả năng quản lý được bao nhiêu thiết bị: USB ~ 127,

– Tách biệt: Address, Data, Control – có thể có multi plexed mode (x86)

– Dùng cho Burst Mode: Single address first, data packet after.

– Serial Bus: Start/Stop, Address, Data, Read/Write

• Đối tượng ghép nối:

– Mem bus (local ~, sys ~ ),

– IO Bus: PCI (!), ISA, EISA, MC, USB, FireWire

– Field bus Siemens Profi bus

4.1 Industry Small Architecture (ISA) bus:

• ISA/ AT bus, 1984, IBM, PC-104 bus, Available in

Pentium, PowerPC Platforms

• Để ghép thêm các card/ thiết bị I/O chuẩn với Mother

Board, 1 12 Slots, iPCs, hiện tại các máy có thể không

dùng slot

• 8/ 16 bit for data transfers

• 4,77 => 8,33 MHz/11.1MHz => 2.75 MWps/5.5 MWps

max, DMA 16

• Only 1 BusMaster, CPU hoặc DMAC, w AEN

• No data integrity, không kiểm tra parity, IO Check

• Dùng để ghép với các thiết bị chậm, kiểu ký tự: ‘character

typed devices’ : keyboard, mouse

• Refer ‘AT Technical Reference’ or TechHelp for detail

P&I Ch4 - Bus 5

Hình 4.1 AT/ ISA/ PC 104 bus

http://www.techfest.com/hardware/bus/isa.htm

Chu kỳ R/W của ISA

• Tham khảo hình cuối Ch1

• Là IO bus có đủ các tín hiệu điều khiển

• Tham khảo: techfes.com để nắm được ý

nghĩa của các tín hiệu ISA bus

• BT: vẽ các chu kỳ bus của ISA;

– IORead bus cycle

– IOWrite bus cycle

– IOR-MEMW DMA bus cycle

– MEMR-IOW DMA bus cycle

P&I Ch4 - Bus 7

4.2 Universal serial bus - USB:

4.2 Universal Serial Bus Rev 4.2.1: Topology

Hub, mở rộng thêm thiết bị nối vào USB

Các thiết bị chức năng như ISDN, JoyStick, KB,

Printer, Digital Camera, Mass Storage

Thiết bị chuẩn interface USB theo:

Tín hiệu vi sai phát/ thu, bọc kim, chống nhiễu

CRC Protection đ/v data & control fields

Tự phát hiện attach/ detach, xác định cấu hình các

thiết bị tự động ở mức hệ thống

TimeOut đ/v trường hợp mất gói tin/ gói tin lỗi

P&I Ch4 - Bus 11

4.3 USB: Physical interface

1.5 Mbps – Low speed mode và 12Mbps (Revision 1.1)

Nguồn cấp +5V, vài metre

Power managment

Revision 2.0: 480Mb/s

P&I Ch4 - Bus 14

P&I Ch4 - Bus 18

P&I Ch4 - Bus 19

Các lớp thiết bị USB

• Là các đặc tả để quy định số lượng và chủng loại thiết

bị để host nhận dạng thiết bị và forrmat của data.

– Audio devices: nhận/gửi sound (decoded voice, music…

isochronal hay block (đối với MIDI)

– Chip Card Interface Device - CCID: là các loại thẻ dùng

cho việc gọi điện thoại, thẻ ra vào, trả cước cầu đường, bảo

hiểm y tế, giải mã cho các bộ thu truyền hình vệ tinh, tín

dụng có cập nhật thông tin

– Communication devices: thiết bị thoại (analog

phone/modem, ISDN adaptor, digi phone) và các thiết bị

mạng tốc độ trung bình (ADSL modem,

10/100base-Ethernet adapter và hub)

– Lớp thiết bị bảo mật: định nghĩa cách thức truy cập tới các

file, âm nhạc, hình ảnh hoặc các dữ liệu khác được truyền trên

bus với password

– Lớp thiết bị cập nhật firmware từ Host: Lớp thiết bị này cho

phép khi sử dụng chức năng nạp bootloader cho vi điều khiển

– Human Interface Devices - HID: Keyboard, mouse,

joystick…Thường driver có sẵn trong các OS

– Infrared Data Association Bridge: quy định những yêu cầu

về phần cứng và các giao thức cho phép việc truyền tải dữ

liệu ở khoảng cách ngắn bằng hồng ngoại

– Secondary storage devices (In/Out): FDC/HDCs, CD, DVD

và flashmem, camera cũng có thể sử dụng lớp lưu trữ thứ cấp

cho phép việc truy cập các file hình ảnh trong bộ nhớ của

camera… với các lệnh xóa, copy, move, forrmat…

P&I Ch4 - Bus 21

– Lớp thiết bị in ấn: quy định forrmat định chữ

hay hình ảnh trên media.

– Lớp thiết bị lưu giữ ảnh tĩnh (In): camera,

scanner (trùng vài điểm với bộ nhớ ngoài)

– Test and Instrumentation devices: quy định

gioa thức ghép nối với thế giới thực qua ADC,

DAC, sensors, transducers.

– Motion video: thiết bị ghi hình số, webcam, và

một số thiết bị có chức năng gửi, nhận hay căn

chỉnh ảnh động Also for static picture files

– Non standardized devices: như TB điều khiển

động cơ, rơ le, hay các cơ cấu chấp hành

khác… hay cầu USB (PC to PC)

version 2.1 jan 2000

• Philips, 1992 Ver 1.0; 1998 Ver 2.0, 2000: Ver 2.1, dùng cho

các hệ thống nhúng (embeded systems) như mobil phone, TV,

pay phone, ATM

• Không cần dùng bus interface chip(s), built-in

• Integrated addressing & data-transfer, cho phép dùng phần mềm

để định cấu hình

• Đừn giản ghép nối Nhiều uC hỗ trợ I2C

• Đơn giản tìm lỗi, khoanh vùng lỗi nhanh

• Giảm thiểu kích thước: 2-wire serial, không cần các mạch Addr

Decoder và ‘glue logic’, dùng phần mềm

• Truyền đồng bộ, 100 kb/s Standard-mode, 400 kb/s Fast-mode,

3.4Mb/s HiSpeed-mode

Có thể nối nhiều Masters, trong 1 t/đ chỉ 01 BM’s Active

P&I Ch4 - Bus 25

H 410a Synchronous Serial Data & Clock

P&I Ch4 - Bus 27

Start(Rep Start, S) SCL=1, SDA= 

Stop (P): SCL=1, SDA= 

P&I Ch4 - Bus 29

Multi byte R/W :Addr auto Inc/ Dec;

Master/ Slave :Send A[ck] (=0) hoặc /A (NACK) (=1)

tùy thuộc bit tiếp theo là data hay Stop

Ví dụ dùng I2C bus:

• uC dùng ATmega8, RTC: Dallas RTC 1307, 1308: 64 byte

RAM & Real Time Clock,

• Philips PCF 8593, Low Power Clock/ Calendar

• Atmel 93C46/24C96 EEROM

P&I Ch4 - Bus 31

Ví dụ WRITE I2C bus DS1307

• -DS1307 – Real Time Clock có địa chỉ đọc 0xD0,

địa chỉ ghi 0xD1 quá trình đọc ghi diễn ra theo

lược đồ sau :

Void Write_DS1307(char* buff , byte len) // buff l bộ đệm

truyền, len l số byte cần ghi

{ char i ;I2C_Write(0xD0);

for(i=0;i<len;i++) I2C_Write( buff[i] ); }

Ví dụ READ I2C bus DS1307

Void Read_DS1307(char* buff , byte len) // buff là bộ đệm

P&I Ch4 - Bus 33

AT24C04 - 4Kbits Serial EEPROM Có địa chỉ đọc 0xA0, địa chỉ ghi 0xA1

Void Write_24C04(usigned int address, char* buff , byte len)

//address là địa chỉ cần ghi, buff là bộ đệm truyền, len là số byte

cần ghi

{ char i ;

I2C_Write(0xD0);

I2C_Write(address >> 8) ; // 8bit address high

I2C_Write(address & 0xff ) ; // 8bit address low

for(i=0;i<len;i++) I2C_Write( buff[i]);

I2C_Write(0xD0); // Write address first

I2C_Write(address >> 8) ; // 8bit address high

I2C_Write(address & 0xff ) ; // 8bit address low

I2C_Write(0xD1); // Read out data

Return ( I2C_Read() );

}

P&I Ch4 - Bus 35

4.5 PCI - Peripheral Component Interconnect

5/1993, Intel Ver 2.0, Open standard,

- Local bus, trung gian giữa Local và các bus chuẩn khác

(ISA, MC, EISA) thông qua PIC Bridge/Controller

- Có kiểm tra parity cho Addr và Data

- Auto configuration of all PCI devices, share the same

IRQ Disabling IRQ => cấm toàn bộ PCI devices

- No DMA, device on PCI bus là bus master (Tốt cho việc

dùng MultiTasking OS)

- Burst mode: 32 bit @33MHz > 96 132MBps, tuỳ thuộc số

byte (từ 32 byte đến 4KB) Option 64bit @33MHz >

264MBps, 64bit – 66MHz

- Most Platforms use:Intel, DEC Alpha, PowerPC, Spark

- Modern OS: ‘Block Typed Devices’: tần suất vận chuyển

cao, nhanh, data block

4.6 Small computer systems interface - SCSI

• SCSI (SCSI-1): 1990; SCSI-2: 1993 to now;

UltraSCSI:

• Dùng cho Disk controller có bộ lệnh của nó,

• Thường có 1 Adaptor, không nằm trên motherboard

• Support any SCSI device: Disk, CD-ROM, tape,

scanner

5 to 40 MB/s

• 7 devices max, upto 15 with SCSI-2 FastWide and

UltraSCSI

P&I Ch4 - Bus 38

Tín hiệu: Có loại cable đơn và vi sai (chống nhiễu tốt hơn), các

controller support 2 loại tín hiệu Không nối 2 kiểu trên cùng

bus Most: SingleEnd, RS6000 differential

SCSI Common Command Set: được gửi từ device driver, được

dịch bởi th/bị => Adaptor không phải thay đổi khi gắn thêm

thiết bị

SCSI subsystem gồm: Host adaptor (để interface giữa host

system và subsystem), SCSI controller, bus, thiết bị

SCSI Controller & devices: 8 16 devices, 1 as Controller Thứ tự

ưu tiên của các thiết bị, cao nhất là 7 (Controller)

P&I Ch4 - Bus 39

Giới thiệu: Môi trg công nghiệp,

chuẩn EN 50170-1-2

Kết nối những thiết bị vào ra

phân tán, thông minh (PLCs,

Motor drivers, ), 1 trong những

layers của mạng CN: SINEC-L2

Bao gồm các giao thức:

PROFIBUS DP (Distributed I/O):trao đổi sl với các

slaves qui mô nhỏ, định kỳ, tốc độ cao

Profibus PA: Process Automation: IEC 61158-2: môi

trường khắc nghiệt Số liệu và power chung line

(PLC), 31.25 kbps

4.7 Siemens Process & Field bus – Profi bus

PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification):

- Kết nối PC với các thiết bị tự động của Siemens:

S7/M7/C7 Families kiểu cell

- Số liệu có cấu trúc, không phụ thuộc vào đường

P&I Ch4 - Bus 41

Hình 4.15 Mạng PROFIBUS

As known IEEE 488; HPIB (Hewlette-Parkard Interface

Bus), IEC 625 bus

Được thiết kế để kết nối mạng máy tính với các thiết bị

ngoại vi, đo lường - kiểm nghiệm, lab kiểu

Program-mable Instrumentation

14 devices có thể nối vào GPIB, 1MB/s, couple meters

24 pin connector: 16 lines: 8 data (DIO1 8), 1 command

ATN; 3 handshake (DAV, NRFD, NDAC), 5

management (để điều khiển việc dùng bus), remainders:

Twisted/ Logic Gnd, Shield

Computer as Controller; các thiết bị khác là Talkers/

Listeners Trg 1 t/đ: 1 device - Talker, Others - Listeners

Để nối mạng:GPIB Card,cable,connector(Hình 4-16/17/18)

4.8 General Purpose Interface Bus - GPIB

P&I Ch4 - Bus 43

H×nh 4.16 Mét sè PC's GPIB interface cards

P&I Ch4 - Bus 45

H×nh 4.18 IEEE-488 Instrumentation & connector

IEEE 1394 serial bus, 1997, by Apple & TI, thay thế SCSI

Upto 63 nodes (devices) connect to a PC, hot plugible

High speed: 60 to 400 Mb/s (7.5 to 50 MB/s)

Cable: 6 wire (2- power carier lines 8 40Vdc/ 1.5A), 15'

Daisy chain extending to over 200'

P1394 - PCI bus <=> Audio, Video devices, CD, disk,

printer

Tree topology: 63 64k nodes (bridge across buses)

Addressing single node, broadcasting all nodes, config time

< 400 us

More than one PC can be connected to P1394 bus

4.9 IEEE 1394, Fire-wire

P&I Ch4 - Bus 47

Hình 4.19 Sơ đồ ghép nối các ngoại vi qua IEEE 1394 bus

4.10 IP RTUs

• Ethernet: là kênh dùng để kết nối mạng

LAN được mở rộng ghép nối các thiết bị

ngoại vi kiểu IP:

P&I Ch4 - Bus 49

• Sơ lược về Ethernet

– 1970 Xerox Ethernet của Xerox PARC do

Robert Metcalfe và David Boggs xây dựng

– Chuẩn Ethernet chủ yếu là các quy định và giao

thức chuẩn hóa trên 2 tầng datalink và physical

– Kiến trúc cáp đồng trục dựa trên giao thức

truyền đa điểm chống xung đột CSMA/CD với

tốc độ 3Mbps khởi đầu của Ethernet

– Cáp 2 dây xoắn, song công tốc độ lên đến Gbps

các mạng Ethernet.

4.10 Ethernet IEEE 802.3

P&I Ch4 - Bus 51

Cấu trúc Ethernet Port

• 5 major blocks:

– The PHY transceiver module that en/decodes the analog

data that is present on the twisted-pair interface and sends or

receives it over the network

– The MAC module: that implements IEEE 802.3 compliant

MAC logic and provides Media Independent Interface

Management (MIIM) to control the PHY

– RAM buffer for storing packets that have been received and

packets that are to be transmitted

– An arbiter to control access to the RAM buffer when

requests are made from the central system, DMA, transmit

and receive blocks

– The register interface that functions as an interpreter of

commands and internal status signals between the module

and the microcontroller’s SFRs

P&I Ch4 - Bus 54

Physical interface and ext connections

• Signals:

– TPIN- và TPIN+: cặp tín hiệu VÀO vi sai

– TPOut- và TPOut+: cặp tín hiệu RA vi sai

• Tự cấp nguồn cho PHY module

• LEDs: LED A và LED B ứng với phát/thu với thời

gian 40/70/140ms (short/med/long)

• Oscillator and Timer: đảm bảo nhịp cho port

• Magnetics, termination and ext.:

– R (2.26k) chỉnh dòng BIAS, định biên độ áp ra

– 02 biến áp xung, tỷ lệ 1:1, có điểm giữa để tạo và nhận

tín hiệu vi sai từ cable

P&I Ch4 - Bus 55

Ethernet Buffer and Register space

• SRAM buffer chưa gói tin sẽ được nhận về hay

gửi đi, địa chỉ buffer thưởng được chỉ bởi

pointer và theo kiểu circular FIFO buffer

• SFRs: các thanh ghi 8 bit để định các chế độ

hoạt động

• PHY Registers để chưa các chế độ điều khiển và

trạng thái

Ethernet Interrupt

• Control Interrupt group:

– Receive/Transmit Error Interrupt

– Transmit Interrupt

– Link change Interrupt: thay đổi trạng thái

– DMA interrupt

– Receive packet pending

• ETHERNET INTERRUPTS AND

WAKE-ON-LAN

P&I Ch4 - Bus 58

Chuẩn Ethernet 10/100Base-T 802.3i

• Tầng vật lý (PHY)

– 1990, IEEE: Ethernet 10/100Base-T 802.3i:

• Tốc độ 10/100/1k Mbps, trên băng tần gốc (Baseband )

• Cáp xoắn đôi trần Unshieled Twisted Pairs,

• Đa số 10Base-T lập cấu hình dạng hình sao, nhưng bên

trong vẫn là cấu trúc dạng bus,

• Hub trong mạng 10Base-T được sử dụng multiport

repeater Mỗi máy tính được đặt ở điểm cuối của đoạn dây

nối với hub

• 100m, dùng hub/switch/router để nối thêm chiều dài này

• Về lý thuyết một mạng cục bộ 10Base-T có thể phục vụ

1024 máy tính

P&I Ch4 - Bus 59

PHY differential transformer

P&I Ch4 - Bus 61

Ethernet cabling

• Chuẩn 10/100Base-T dùng cáp đôi dây xoắn,

thông dụng cáp Thin Cat 5

• Dây số 1-2 là cặp dây vi sai dùng để phát, cặp 3-6

là thu

• Cáp nối thẳng: được sử dụng khi kết nối thiết bị

đầu cuối với hub/switch,

• Cáp nối chéo: nối 2 thiết bị đầu cuối với nhau, đối

với cáp chéo: 2 cặp 1-2 và cặp 3-6 được đấu chéo

vào nhau, cửa truyền của thiết bị này sẽ nối với

cửa nhận của thiết bị kia và ngược lại.

– LLC: liên kết hoạt động phía trên và theo option sẽ

cung cấp chức năng điều khiển lưu lượng,

acknowledgment và khôi phục lỗi.

– MAC: chống xung đột, quyết định thời điểm ai

được phép truy cập môi trường truyền dẫn và xác

định bắt đầu và kết thúc một frame

P&I Ch4 - Bus 63

MAC:

FCS PAD

LLC data Length

Source Address

Destination Address SFD

Preamble

4

…

… 2

6 6

1

7

• Preamble (7byte): đồng bộ bit, dãy các bit 1 và 0 với bit cuối là 0

• SFD ( Start Frame Delimiter): là dãy 10101011

• Destination Address (6byte): dest station(s) address, là địa chỉ

vật lý duy nhất của trạm/nhóm (nhiều trạm)/ broadcast

• Source Address (6byte)

• Length: số byte của phần LLC data tiếp theo sau

• LLC data

• PAD: added bytes: cho frame đủ dài để dễ phát hiện xung đột

• FCS (Frame check sequence): kiểm tra lỗi CRC 32 bit cho tất cả

các vùng trừ Preamble, SFD và bản thân FCS

Lập nhóm nghiên cứu 1 loại bus để thiết kế ghép nối hệ

thống (kết hợp với các chương sau)

Nhiều thiết bị ngoại vi/ đo lường/ thu thập số liệu/

giám sát/ điều khiển,

Tốc độ,

Khoảng cách,

Giao thức/ đối thoại thích hợp.

BÀI TẬP - BÀI TẬP LỚN CHƯƠNG 4