Tổng quan giao diện máy tính - Thiết kế giao diện USB sử dụng chíp FT232BM

Tổng quan giao diện máy tính - Thiết kế giao diện USB sử dụng chíp FT232BM

Trang: /69 Phạm Đức Hạnh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC GIAO DIỆN TRONG MÁY TÍNH . 5 1.1. GIAO DIỆN TỐC ĐỘ THẤP . 5 1.1.1. Cổng giao tiếp song song . 6 1.1.2. Cổng giao tiếp nối tiếp . 6 1.1.3. Giao tiếp theo chuẩn ISA . 6 1.1.4. Giao tiếp theo chuẩn EISA . 7 1.2. GIAO DIỆN TỐC ĐỘ CAO . 8 1.2.1. Giao diện PCI . 8 1.2.2. Giao diện AGP . 11 1.2.3. Giao diện USB 1 Trang: /69 Phạm Đức Hạnh . 12 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU GIAO DIỆN PCI 32 BÍT/33MHZ . 15 2.1. MÔ TẢ CHÂN TÍN HIỆU TRÊN SLOT PCI . 15 2.2 CÁC LỆNH BUS 19 2.3. GIAO THỨC CƠ BẢN CỦA BUS PCI . 20 2.4. ĐỊNH ĐỊA CHỈ TRÊN BUS PCI . 20 2.5. TỔ CHỨC KHÔNG GIAN CẤU HÌNH BUS PCI 21 2.5.1. Thanh ghi lệnh. . 22 2.5.2. Thanh ghi trạng thái. . 23 2.6. CÁC THAO TÁC CƠ BẢN TRÊN BUS PCI . 25 2.6.1. Chu kỳ đọc dữ liệu với bus PCI 32 bít. . 26 2.6.2. Chu kỳ ghi dữ liệu với bus PCI 32 bít. 2 Trang: /69 Phạm Đức Hạnh . 28 2.6.3. Các thao tác trên bus PCI 66 Mhz. . 28 2.7. SỰ KẾT THÚC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI DỮ LIỆU . 30 2.7.1. Đối tượng điều khiển bắt đầu sự kết thúc quá trình giao dịch. . 30 2.7.2. Đối tượng bị điều khiển bắt đầu sự kết thúc quá trình giao dịch. . 31 2.7.3. Ngưng kết nối không cần sự kết thúc nhịp dữ liệu. . 32 2.7.4. Sự giao dịch bị bãi bỏ bởi đối tượng bị điều khiển. . 34 2.7.5. Sự giao dịch trễ. . 35 2.8. ĐỒ HÌNH TRẠNG THÁI BUS PCI 35 . 2.9. MODULE GIAO TIẾP BUS PCI 32 BÍT/33 MHZ . 37 CHƯƠNG 3 GIAO DIỆN USB VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SỬ DỤNG GIAO DIỆN USB 40 3 Trang: /69 Phạm Đức Hạnh 3.1. GIAO DIỆN USB . 40 3.1.1. Bộ kết nối USB. . 40 3.1.2. Đắc tính điện của cổng USB. . 41 3.1.3. Dòng trì hoãn. . 41 3.1.4. Giao thức truyền USB. . 42 3.1.5. Cấu trúc gói USB. . 42 3.1.6. Các kiểu gói USB. . 43 3.1.7 Các kiểu truyền USB. . 44 3.1.8 Điều khiển dữ liệu. . 44 3.1.9 Hệ thống USB 2.0. . 46 3.2. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG 47 4 Trang: /69 Phạm Đức Hạnh 3.3. NHỮNG ƯU ĐIỂM NỔI BẬT 47 3.4. SƠ ĐỒ KHỐI . 50 3.5. CHỨC NĂNG CỦA TÍN HIỆU . 54 3.6. VÍ DỤ VỀ KẾT CẤU CỦA IC 56 3.6.1 Kết cấu bộ tạo dao động . 56 3.6.2 Cấu hình EEPROM 57 3.6.3 Kết cấu nguồn Bus USB 58 3.6.4 Kết cấu tự cấp nguồn USB 60 3.6.5 Kết cấu tự cấp nguồn (2) 61 3.6.6 Kết cấu giao diện UART 63 3.6.7 Kết cấu bộ chuyển đổi USB -> RS422 63 3.6.8 Kết cấu bộ chuyển đổi USB -> RS485 64 3.6.9 Kết cấu giao diện LED 64 5 Trang: /69 Phạm Đức Hạnh 3.6.10 Mạch tạo nguồn cho Bus với mức lôgic 3.3v/nguồn nuôi 65 3.6.11 Mạch cấp nguồn (≤100mA) với nguồn điều khiển 66 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 LỜI NÓI ĐẦU Nếu tính từ thời điểm chính thức đưa ra thị trường, cổng parallel và serial đã gắn bó với thiết bị ngoại vi gần hai thập niên. Ngoại trừ lần đưa ra tính năng Plug-and-Play trong hệ điều hành Windowws 95, công nghệ I/O trên PC không có thay đổi lớn nào so với mẫu thiết kế ban đầu năm 1981. Cho đến nay, băng thông của giao tiếp parallel và serial đủ so với nhu cầu của thiết bị 6 Trang: /69 Phạm Đức Hạnh ngoại vi nhưng đành phải lùi bước trước một số ứng dụng bởi một số lý do, như thông lượng, tính dễ dụng, tài nguyên phần cứng, giới hạn số lượng cổng. Trong những năm gần đây, công nghệ I/O là một trong nhiều lĩnh vực thuộc PC có sự đột phá. Trong đó phải kể đến USB và FireWire, hai chuẩn dữ liệu nối tiếp nâng khái niệm Plug-and-Plug lên tầm cao mới và giúp đơn giản hoá việc kết nối dữ liệu giữa máy tính với nhiều thiết bị ngoại vi, phổ biến là máy quay phim số (digital camcoder). Được phát triển bởi liên minh gồm Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC và Northern Telecom, chuẩn Universal Seria Bus (USB) sử dụng dạng đầu nối nhỏ, phù hợp với tất cả thiết bị I/O thông dụng nhằm giảm bớt số lượng cổng và đầu nối. Chính những đặc điểm nổi bật đó, tôi đã chọn đề tài:”Tổng quan giao diện máy tính - Thiết kế giao diện USB sử dụng chíp FT232BM”. Nhằm nghiên cứu một giao diện thống nhất cho nhiều loại thiết bị ngoại vi có thể sử dụng chung một cổng. Được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Đỗ Xuân Tiến và thầy giáo Th.S Lê Trọng Cự tôi đã hoàn thành đồ án này. Trong khi tìm hiểu ngắn cộng với trình độ có hạn nên chắc còn nhiều hạn chế, tôi mong nhận được sự góp ý nhằm hoàn thiện tốt hơn. Phạm Đức Hạnh CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC GIAO DIỆN TRONG MÁY TÍNH 1.1 GIAO DIỆN TỐC ĐỘ THẤP: Sơ đồ ghép nối các thành phần chính trong máy tính được mô tả trên hình vẽ 1.1. 7 CPU 2X A G P Monitor Memory Controller Hub (MCH) DRAM Local Video Memory Hub Interface INTR PCI Slots (32bit,33MHz) I/O Controller Hub (ICH) LPC Super IO Com 1 Com 2 USB Controller 8259 Interrrupt Controller ISA Bridge (Optional) USB Ports INTR ISA Slots PCI Bus Firmware Hub IDE Hard drive CD-ROM AC’97 Link Modem Codec Audio Codec Hình 1.1 Sơ đồ ghép nối trong máy tính IBM PC IRQs Trang: /69 Phạm Đức Hạnh 1.1.1 Cổng giao tiếp song song: Cổng song song là cổng thông dụng nhất cho các ứng dụng văn phòng. Nó có 4 đường tín hiệu điều khiển (tín hiệu ra), 5 đường tín hiệu trạng thái (tín hiệu ra) và 8 đường tín hiệu dữ liệu đều tương thích mức TTL, tương thích với 3 nhóm đường tín hiệu trên là 3 thanh ghi: thanh ghi điều khiển, thanh ghi trạng thái và thanh ghi dữ liệu. Đia chỉ cơ sở của cổng song song là 8 Trang: /69 Phạm Đức Hạnh 378H. Thanh ghi dữ liệu có địa chỉ 378H, thanh ghi trạng thái có địa chỉ 379H và thanh ghi điều khiển có địa chỉ 37AH. 1.1.2 Cổng giao tiếp nối tiếp: Cổng nối tiếp được dùng ít hơn cổng song song . Trong hầu hết các trường hợp , bất kì thiết bị nào nối vào cổng nói tiếp cũng cần phải chuyển dữ liệu nối tiếp thành song song thì mới dùng được và có thể dùng UART để thực hiện việc này. Vì thế cần phải có nhiều thanh ghi điều khiển hơn kiểu truyền song song. Tuy nhiên, truyền nối tiếp có ưu điểm mà truyền song song không có như: • Cáp truyền nối tiếp dài hơn cáp truyền song song. Vì cổng nối tiếp truyền mức ‘1’ với điện áp từ –3V đến mức –25V và mức ‘0’ với điện áp từ 3V đến 25V trong khi cổng truyền song song truyền với mức TTL; • Cáp truyền không cần nhiều sợi như cáp truyền song song; • Khả năng chống nhiễu cao. 1.1.3 Giao tiếp theo chuẩn ISA: Chuẩn ISA là giao diện phổ biến nhất trong thế giới của máy vi tính. Chuẩn ISA nguyên bản truyền 8 bít dữ liệu và chay với tần số4.77MHz (tương ứng với bộ xử lý 8 bít 8088). Năm 1984 thế hệ máy tính IBM AT ra đời dùng bộ vi xử lý 16 bít 80286 do đó bus ISA cũng được mở rộng thành bus 16 bít bàng cách ghép thêm một rãnh phụ nằm thẳng hàng với 8 bít cũ. Trên bus ISA có tập hợp các đường địa chỉ, dữ liệu và điều khiển cho phép thiết kế Card giao tiếp 8/16 bít có địa chỉ 300H đến 31FH cắm trên rãnh này. Sau này mặc dù các bộ vi xử lý có tốc độ cao hơn, kênh dữ liệu lớn hơn nhưng chuẩn ISA còn tồn tại để tương thích với những thiết bị ngoại vi cũ nối với máy tính qua giao diện ISA. 9 Trang: /69 Phạm Đức Hạnh Ngày nay rãnh cắm ISA không còn phù hợp và hầu như không xuất hiện trên bảng mạch chủ của máy tính thế hệ mới và thiết bị ngoại vi nói chung thường sử dụng giao diện tốc độ cao USB hoặc PCI. 1.1.4 Giao tiếp theo chuẩn EISA: Chuẩn EISA là sự mở rộng của chuẩn ISA, hoàn toàn tương thích với chuẩn ISA (Card thiết kế theo chuẩn ISA chạy được trên rãnh cắm EISA). Chuẩn EISA có tính năng tiên tiến hơn như: - Độ rộng kênh dữ liệu 32 bít; - Card thiết kế theo chuẩn EISA có hiệu quả làm việc cao. - Tự đông cài đặt cấu hình cho Card tương tự như chuẩn Plug and Play. Tuy nhiên chuẩn EISA không phải là thông dụng vì thiết bị theo chuẩn này có giá thành đắt hơn và đặc biệt tốc độ (8MHz) của chuẩn EISA chậm hơn nhiều so với các chuẩn giao tiếp bus cục bộ sau này được nhiều người ưu chuộng. Ngoài ra còn một số chuẩn giao diện nữa như: MCA (Micro Channel Architecture bus) do IBM phát triển với sự bố trí chân và các đặc tính tín hiệu hoàn toàn khác với ISA, EISA nhừm làm việc với các bộ xử lý 80386. Một số đặc tính có thể kể đến là: các đường dữ liệu và địa chỉ 32 bít có thể chuyển dữ liệu với card mở rộng dạng 8/16/32 bít. Các chuyển mạch DIP và chân cắm được thay thế bằng cách sử dụng các thanh ghi điều khiển bằng phần mềm để thiết lập cấu hình cho các card mở rộng. trên lý thuyết MCA có thể làm việc với tần số 30MHz, các chân tín hiệu được xen với các chân đất và chân nguồn làm giảm nhiễu xuyên âm, tổn hao, có mạch phân phối bus cho phép tổ chức thiết bị chủ đa bus…tuy vậy sự độc quyền của IBM trong việc sử dụng MCA đối với các hãng sản xuất thiết bị chuẩn này không được sử dụng rộng rãi. 10 [...]... kiểu thiết bị USB: USB Hub và USB Functions USB Hub cho phép mở rộng số jack nối USB vào hệ thống còn USB Functions cho phép nối hệ thống với các thiết bị ngoại vi như: bàm phím, chuột… Trang: / 17 69 Phạm Đức Hạnh Qua việc tìm hiểu về giao diện tốc độ cao ta thấy giao diện PCI là cơ sở để xây dựng các chuẩn giao tiếp khác trong chương tiếp theo sẽ nghiên cứu giao diện này CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU GIAO DIỆN... hình ảnh của hệ thống USB được thực hiện trên nền tảng cơ sở của bus PCI-khối điều khiển chủ USB nằm trên bus PCI USB được phát triển theo yêu cầu chính sau: • Dễ sử dụng: nối thiết bị mà không cần mở hộp PC, USB sẽ nối ngay thiết bị đó và bổ sung thông tin về thiết bị đó như kiểu loại, số hiệu, nhà sản xuất Nếu như rút một thiết bị USB ra khỏi PC thì chíp điều khiển giao diện USB sẽ nhận ra và thông... mềm điều khiển thiết bị, do đó PC biết thiết bị đó đã được rút ra • Mở rộng cổng giao tiếp: các thiết bị theo chuẩn USB thường có mức tiêu thụ năng lượng thấp, vì thế nên có nhiều thiết bị tốc độ cao cùng được kết nối qua bus này Đặc tính của USB xác định kết nối và truyền tin giữa hai thành phần cơ bản: khối điều khiển USB và thiết bị USB Chỉ có một khối điều khiển USB, nó thực hiện các kết hợp phần... cổng ở mặt sau máy tính, thay vì có quá nhiều đầu nối vào máy tính cho bàn phìm, chuột, máy in, modem, thiết bị multimedia, máy ảnh số chuẩn USB cho phép tất cả nối vào cổng duy nhất trên bảng mạch máy chủ của máy tính Chuẩn USB loại trừ nhiều rắc rối trên khi cài đặt thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như phải tháo máy để cài đặt card nối ghép, thay đổi các chuyển mạch, khai báo ngắt Phiên bản USB 1.1 có 2... ‘1’: Cho phép thiết bị giám sát mọi chu kỳ - Bít 4: cho ta sử dụng bộ nhớ ghi và các lệnh không định sẵn Trang: / 26 69 Phạm Đức Hạnh * Mức ‘1’: Thì thiết bị chủ có thể tạo lệnh * Mức ‘0’: Thì bộ nhớ ghi được sử dụng thay cho thiết bị chủ - Bít 5: Điều khiển card VAG tương thích với thiết bị đồ hoạ điều khiển tới thanh ghi bảng màu * Mức ‘1’: Bảng màu được cho phép sử dụng * Mức ‘0’: Thì thiết bị nên... kiểu Back-to-Back đối với thiết bị khác Phần mềm khởi tạo sẽ được thiết lập 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 0 nếu thiết bị đích cũng có khả năng giao dịch kiểu back-to-back Reserved - Bít 10: Cho phép xác nhận INTx# - Bít 11 - bít 15: Để dành 2.5.2 Thanh ghi trạng thái Interrupt Status Capabilities List 66MHz Capable Dùng để ghi thông tin trạng thái để bus PCI liên hệ các sự kiện Reserved - Bít 0 - bít... lĩnh vực nối ghép máy tính với thiết bị ngoại vi và quan trọng là nó là chuâẩn giao diện mới đáp ứng những nhu cầu của những hệ thống đa nền tảng và đa cấu trúc Hình 1.2 cho ta các kích thước có thể của bus cục bộ PCI Server High End Desktops Low MidRange Desktops Mobile Auto Configuration 64-bit Upgrade Path PCI 33 PCI Express PCI-X 66 PCI-X 266 PCI 66 PCI-X 133 PCI-X 533 Hình 1.2 Ứng dụng của bus cục... là điểm kết nối bổ xung trong hệ thống như hình trên Nó dành riêng cho việc sử dụng các thiết bị hiển thị, tất cả các thiết bị vào/ra khác sẽ vẫn ở trên bus PCI Khe cắm dành cho AGP sử dụng đầu nối mới không tương thích với đầu nối PCI, bảng mạch PCI và AGP không thể hoán đổi cho nhau được Đặc tính AGP được phát triển bởi hãng Intel, độc lập với PCI của Special Interst Group Giao diện AGP sử dụng PCI... được thiết lập - Bít 9 và bít 10: Là những bít mã hoá định thời của tín hiệu DEVSEL# * ‘00b’ ứng tốc độ nhanh * ‘01b’ ứng tốc độ trung bình * ‘10b’ ứng tốc độ chậm * ‘11b’ dùng để dành - Bít 11: Bít này phải được thiết lập bởi thiết bị đích - Bít 12: Bít này phải được thiết lập bởi thiết bị chủ, mỗi khi kết thúc quá trình trao đổi dữ liệu của thiết bị chủ theo kiểu bỏ qua vai trò thiết bị đích - Bít... biên/JTAG (tuỳ chọn) - TCK: Chân tín hiệu vào, để kiểm tra dữ liệu vào/ra của thiết bị - TDI: Chân tín hiệu vào, kiểm tra dữ liệu và lệnh vào thiết bị - TDO: Chân tín hiệu ra, kiểm tra dữ liệu và lệnh ra thiết bị - TMS: Chân tín hiệu vào, điều khiển trạng thái quá trình kiểm tra thiết bị - TRST#: Chân tín hiệu vào dùng khởi tạo một cách đồng bộ quá trìh kiểm tra thiết bị + Nhóm các chân giao tiếp quản lí