загрузка...
Перескочить к меню

Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия (fb2)

файл не оценён - Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия 2899K, 673с. (скачать fb2) - Михаил Юрьевич Гук

Использовать online-читалку "Книгочей 0.2" (Не работает в Internet Explorer)


Настройки текста:



Михаил Гук Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия

От автора

Книга «Интерфейсы ПК. Справочник», вышедшая следом за первым изданием энциклопедии «Аппаратные средства IBM PC» (1998 г.), была благосклонно принята читателями и даже выпущена «пиратами» на компакт-диске (правда, без указания автора и, естественно, без его уведомления). Работа над вторым изданием энциклопедии породила гору материала, который не помещался в книгу разумного размера, — так созрела идея новой книги об интерфейсах, которая сейчас перед вами. В нее вошли все «обрезки» «слишком большой энциклопедии» и ряд новых материалов. Эта книга адресована специалистам, которые уже знают общее устройство компьютера и имеют представление о взаимодействии его составляющих, но нуждаются в справочной информации для разработки собственной аппаратуры и программного обеспечения, тесно связанного с «железом». Название «Аппаратные интерфейсы ПК» определяет круг освещаемых вопросов — от ножек интерфейсных разъемов до программной модели интерфейсных адаптеров.

Книга начинается с глав, посвященных универсальным внешним интерфейсам, начиная с долгожителей — портов LPT и СОМ — и кончая современными шинами USB, Fire Wire, SCSI и беспроводными интерфейсами IrDA и Bluetooth. Далее идет «погружение в недра» системного блока ПК — интерфейсы шин расширения с особо детальным описанием шин PCI и ISA, самых интересных на сегодняшний день (шину ISA списывать рано, она еще послужит во встраиваемых компьютерах в обычном виде или в виде PC/104). В главе, посвященной интерфейсам электронной памяти, подробно рассматриваются модули динамической памяти всех современных типов, а также микросхемы статической и энергонезависимой памяти (флэш, EEPROM), с которыми часто приходится иметь дело. Далее в книге описываются специализированные интерфейсы периферийных устройств — клавиатуры, мыши, дисплея (как традиционного, так и плоских панелей), принтеров, аудио- и видеоинтерфейсы, игровой порт. Отдельная глава посвящена интерфейсам устройств хранения — НГМД, ATA (включая новый интерфейс Serial ATA), а также интерфейсам твердотельных устройств хранения (различным флэш-картам). Из интерфейсов компьютерных сетей основное внимание уделяется технологии Ethernet, практически вытеснившей все остальные из локальных сетей и ведущей наступление и в глобальных приложениях. Также рассматривается интерфейс обычной аналоговой телефонной линии, через которую большинство домашних пользователей подключается к Сети. В главе о вспомогательных последовательных интерфейсах рассматриваются все вариации на тему I²C, а также интерфейсы SPI, MII и JTAG. Отдельная глава посвящена архитектурному окружению, в котором интерфейсы и их адаптеры (контроллеры) существуют в IBM PC-совместимом компьютере (пространство памяти, пространство ввода-вывода, прерывания), и нюансам, связанным с различными режимами работы процессоров x86. В этой же главе описываются сервисы и модули расширения BIOS, а также способы загрузки ПО, позволяющие собирать специализированные бездисковые контроллеры на базе универсальных компонентов. Как обычно, книгу завершает тема правильного питания и электробезопасности. Для удобства восприятия в книге принята система текстовых выделений. Курсивом выделены ключевые слова (например, первый раз встречающиеся определения), а также названия состояний, в которых могут пребывать некоторые объекты. В названиях электрических сигналов, например CSO#, символ «#» указывает на инверсность (низкий уровень сигнала отвечает активному состоянию). Названия команд, регистров и битов имеют иной вид — например, INSW (команда процессора), DR (регистр данных), АХ (регистр процессора). Подробные оглавление и предметный указатель помогут быстро найти необходимую информацию.

Я благодарен любознательным и внимательным читателям, присылающим свои замечания, вопросы и отзывы о моих книгах. Пользуясь случаем, еще раз обращаюсь к читателям — пишите письма! С вашей помощью исправляются многие ошибки, и я стараюсь поддерживать свои книги на личном сайте по адресу http://www.neva.ru/mgook, обновляя списки замеченных опечаток и публикуя статьи на смежные темы.

Как и все предыдущие, эта книга не смогла бы появиться без информационной поддержки коллектива RUSNet (http://www.neva.ru), обеспечивающего доступ к Сети в ЦНИИ РТК — «базовом лагере» автора. После выпуска второго издания «Энциклопедии» я снова погрузился в инженерную деятельность в НПО РТК. Это несколько притормаживает работу над книгами, но обогащает практический опыт, что выливается в дополнительные разъяснения актуальных вопросов.

Свои замечания и пожелания присылайте на адрес mgook@stu.neva.ru (автор) или comp@piter.com (издательство «Питер», редакция компьютерной литературы). Информацию по всем книгам можно получить на сайте издательства «Питер» www.piter.com.

Михаил Гук

Введение

Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Эта книга посвящена интерфейсам, позволяющим подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства (ПУ) и их контроллеры, а также соединять отдельные подсистемы компьютера. Рассмотрим вкратце основные свойства интерфейсов.

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 PC 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, I²C).

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. То же касается и сканеров. А передача «живого» видео, даже с применением компрессии, требует ранее немыслимой пропускной способности.

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. В последовательных интерфейсах, конечно же, есть свои проблемы повышения производительности, но поскольку в них используется меньшее число линий (в пределе — одна), повышение пропускной способности линий связи обходится дешевле.

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию DDR (Dual Data Rate). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимались только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса ATA (режимы UltraDMA) и прошла уже и по SCSI (UltraISO и выше), и по памяти (DDR SDRAM), и по системной шине процессоров (Pentium 4).

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 ATA, 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.

Для интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три возможных режима обмена — 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, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (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 линий интерфейса — это перекрестные помехи, защитой от которых может быть применение витых пар проводов для каждой линии. Другая часть помех вызывается искажением уровней сигналов.

С появлением шин USB и Fire Wire в качестве характеристики интерфейса стала фигурировать и топология соединения. Для интерфейсов RS-232C и Centronics практически всегда применялась двухточечная топология PC — устройство (или PC — PC). Исключениями из этого правила являются различные устройства безопасности и защиты данных (Security devices), которые подключаются к COM- или LPT-портам, но имеют разъем для подключения внешнего устройства. Однако эти устройства для традиционной периферии прозрачны, поэтому можно считать, что они не нарушают общего правила. Аналогично обстоит дело и с адаптерами локальных сетей (например, Paraport) и внешних дисковых накопителей (Iomega Zip), подключаемых к LPT-портам. Хотя разрабатываемые стандарты для параллельного порта (IEEE 1284.3) и предусматривают соединение устройств в цепочку (Daisy Chain) или через мультиплексоры, широкого распространения такие способы подключения пока не получили. К другому классу исключений относится построение моноканала на СОМ-портах, которое несколько лет назад применялись в «любительских» локальных сетях, но было вытеснено существенно более эффективной и подешевевшей технологией Ethernet. Интерфейсные шины USB и Fire Wire реализуют древовидную топологию, в которой внешние устройства могут быть как оконечными, так и промежуточными (разветвителями). Эта топология позволяет подключать множество устройств к одному порту USB или Fire Wire.

Важным свойством интерфейса, на которое часто не обращают внимание, является гальваническая развязка, а точнее — ее отсутствие. «Схемные земли» устройств, соединяемых интерфейсом с СОМ- или LPT-портом PC, оказываются связанными со схемной землей компьютера (а через интерфейсный кабель и между собой). Если между ними до подключения интерфейса была разность потенциалов, то по общему проводу интерфейса потечет уравнивающий ток, что плохо по целому ряду причин. Падение напряжения на общем проводе, вызванное протеканием этого тока, приводит к смещению уровней сигналов, а протекание переменного тока приводит к сложению полезного сигнала с переменной составляющей помехи. К этим помехам особенно чувствительны ТТЛ-интерфейсы; в то же время в RS-232C смещение и помеху в пределах 2 В поглотит зона нечувствительности. В случае обрыва общего провода или плохого контакта, а гораздо чаще — при подключении и отключении интерфейсов без выключения питания устройств, разность потенциалов прикладывается к сигнальным цепям, а протекание уравнивающих токов через них часто приводит к пиротехническим эффектам. Откуда берется эта разность потенциалов, объяснить нетрудно (см. главу 13). Из рассматриваемых в книге интерфейсов гальваническую развязку устройств обеспечивают MIDI, «токовая петля», S/PDIF, шина Fire Wire, сетевые интерфейсы Ethernet.

Существенным свойством является возможность «горячего» подключения/отключения или замены устройств (Hot Swap), причем в двух аспектах. Во-первых, это безопасность переключений «на ходу» как для самих устройств и их интерфейсных схем, так и для целостности хранящихся и передаваемых данных и, наконец, для человека. Во-вторых, это возможность использования вновь подключенных устройств без перезагрузки системы, а также продолжения устойчивой работы системы при отключении устройств. Далеко не все внешние интерфейсы поддерживают «горячее подключение» в полном объеме, так, например, зачастую сканер с интерфейсом SCSI должен быть подключен к компьютеру и включен до загрузки ОС, иначе он не будет доступен системе. С новыми шинами USB и Fire Wire проблем «горячего подключения» не возникает. Для внутренних интерфейсов «горячее подключение» несвойственно. Это касается и шин расширения, и модулей памяти, и даже большинства дисков ATA и SCSI. «Горячее подключение» поддерживается для шин расширения промышленных компьютеров, а также в специальных конструкциях массивов устройств хранения.

ВНИМАНИЕ

Карты расширения, модули памяти и процессоры можно устанавливать и извлекать только при выключенном питании компьютера. При этом выключения блока питания ATX основной кнопкой недостаточно, поскольку при этом на системной плате остается напряжение 3,3 В. Эти блоки должны обесточиваться по входу (посредством извлечения питающего кабеля).

В ряде интерфейсов заложены возможности PnP (Plug and Play — включай и играй), которые предназначены для снятия с пользователей забот по конфигурированию подключаемых устройств. В современных интерфейсах эти возможности закладывались изначально (PCI, USB, Fire Wire, Bluetooth), и эти функции в большинстве случаев работают нормально. Однако для интерфейсов-ветеранов (например, ISA, SCSI) технология PnP является поздней искусственной надстройкой, работающей с переменным успехом (Plug and Pray — включай и молись). Часто побочные эффекты вызваны наследием «тяжелого прошлого» — соседством устройств PnP с традиционными (legacy) устройствами. На закате шины ISA ее система PnP в общем работала, но в SCSI от идей автоконфигурирования со временем отказались.

При разработке собственных устройств встает вопрос выбора подходящего интерфейса подключения. Этот вопрос следует решать, исходя из принципа разумной достаточности, по возможности отдавая предпочтение внешним интерфейсам. Следует помнить, что разработка аппаратной части устройства (hardware) тесно связана и с программной поддержкой устройств — как модулями ПО, исполняемыми процессором компьютера (software), так и программами встроенного микроконтроллера (firmware), на базе которого, как правило, строятся современные устройства. Промышленностью выпускается множество моделей микроконтроллеров, имеющих популярные интерфейсы (USB, RS-232, I²C и другие). Однако в ряде случаев приходится использовать и стандартизованные шины расширения ввода-вывода. Эти шины предоставляют более широкие возможности для взаимодействия процессора с аппаратурой, не скованные жесткими ограничениями внешних интерфейсов. Однако за универсальность и производительность внутренних шин расширения приходится расплачиваться более замысловатой реализацией интерфейсных схем и сложностями при обеспечении совместимости с другим установленным в компьютер оборудованием. Здесь ошибки могут приводить к потере работоспособности компьютера (хорошо если временной). Недаром серьезные производители компьютеров гарантируют работоспособность своих изделий только при установке сертифицированных (ими или независимыми лабораториями) карт расширения. При использовании внешних интерфейсов неприятности в случае ошибок чаще всего имеют отношение только к подключаемому устройству.

На этом мы закончим краткий обзор интерфейсов и перейдем к их детальным описаниям.

Глава 1 Параллельный интерфейс — LPT-порт

Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера — отсюда и пошло его название LPT-порт (Line PrinTer — построчный принтер). Традиционный, он же стандартный, LPT-порт (так называемый SPP-порт) ориентирован на вывод данных, хотя с некоторыми ограничениями позволяет и вводить данные. Существуют различные модификации LPT-порта — двунаправленный, EPP, ECP и другие, расширяющие его функциональные возможности, повышающие производительность и снижающие нагрузку на процессор. Поначалу они являлись фирменными решениями отдельных производителей, позднее был принят стандарт IEEE 1284.

С внешней стороны порт имеет 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов, выведенные на разъем-розетку DB-25S. В LPT-порте используются логические уровни ТТЛ, что ограничивает допустимую длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ-интерфейса. Гальваническая развязка отсутствует — схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Из-за этого порт является уязвимым местом компьютера, страдающим при нарушении правил подключения и заземления устройств. Поскольку порт обычно располагается на системной плате, в случае его «выжигания» зачастую выходит из строя и его ближайшее окружение, вплоть до выгорания всей системной платы.

С программной стороны LPT-порт представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода-вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h. Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5. В расширенных режимах может использоваться и канал DMA.

Порт имеет поддержку на уровне BIOS — поиск установленных портов во время теста POST и сервисы печати Int 17h (см. п. 8.3.3) обеспечивают вывод символа (по опросу готовности, не используя аппаратных прерываний), инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера. Практически все современные системные платы (еще начиная с PCI-плат для процессоров 486) имеют встроенный адаптер LPT-порта. Существуют карты ISA с LPT-портом, где он чаще всего соседствует с парой СОМ-портов, а также с контроллерами дисковых интерфейсов (FDC+IDE). LPT-порт обычно присутствует и на плате дисплейного адаптера MDA (монохромный текстовый) и HGC (монохромный графический «Геркулес»). Есть и карты PCI с дополнительными LPT-портами.

К LPT-портам подключают принтеры, плоттеры, сканеры, коммуникационные устройства и устройства хранения данных, а также электронные ключи, программаторы и прочие устройства. Иногда параллельный интерфейс используют для связи между двумя компьютерами — получается сеть, «сделанная на коленке» (LapLink).

1.1. Традиционный LPT-порт

Традиционный, он же стандартный, LPT-порт называется стандартным параллельным портом (Standard Parallel Port, SPP), или SPP-портом, и является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics (см. п. 8.3.1). Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 1.1) соответствуют интерфейсу Centronics.


Таблица 1.1. Разъем стандартного LPT-порта

Контакт DB-25S № провода в кабеле Назначение I/O¹ Бит² Сигнал
1 1 O/I CR.0\ Strobe#
2 3 O(I) DR.0 Data 0
3 5 O(I) DR.1 Data 1
4 7 O(I) DR.2 Data 2
5 9 O(I) DR.3 Data 3
6 11 O(I) DR.4 Data 4
7 13 O(I) DR.5 Data 5
8 15 O(I) DR.6 Data 6
9 17 O(I) DR.7 Data 7
10 19 SR.6 Ack#
11 21 I SR.7\ Busy
12 23 I SR.5 PaperEnd (PE)
13 25 I SR.4 Select
14 2 O/I CR.1\ Auto LF# (AutoFeed#)
15 4 I SR.3 Error#
16 6 O/I CR.2 Init#
17 8 O/I CR.3\ Select In#
18-25 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 - - -

¹ I/O задает направление передачи (вход-выход) сигнала порта. O/I обозначает выходные линии, состояние которых считывается при чтении из портов вывода; O(I) — выходные линии, состояние которых может быть считано только при особых условиях (см. ниже).

² Символом «\» отмечены инвертированные сигналы (1 в регистре соответствует низкому уровню линии).

³ Вход Ack# соединен резистором (10 кОм) с питанием +5 В.


Адаптер SPP-порта содержит три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода-вывода, начиная с базового адреса порта BASE (3BCh, 378h или 278h).

Data Register (DR) — регистр данных, адрес=BASE. Данные, записанные в этот регистр, выводятся на выходные линии Data[7:0]. Данные, считанные из этого регистра, в зависимости от схемотехники адаптера соответствуют либо ранее записанным данным, либо сигналам на тех же линиях, что не всегда одно и то же.

Status Register (SR) — регистр состояния (только чтение), адрес=BASE+1. Регистр отображает 5-битный порт ввода сигналов состояния принтера (биты SR.4-SR.7) и флаг прерывания. Бит SR.7 инвертируется — низкому уровню сигнала соответствует единичное значению бита в регистре, и наоборот.

Ниже описано назначение бит регистра состояния (в скобках даны номера контактов разъема порта).

♦ SR.7Busy — инверсное отображение состояния линии Busy (11): при низком уровне на линии устанавливается единичное значения бита — разрешение на вывод очередного байта.

♦ SR.6Ack (Acknowledge) — отображение состояния линии Ack# (10).

♦ SR.5РЕ (Paper End) — отображение состояния линии Paper End (12). Единичное значение соответствует высокому уровню линии — сигналу о конце бумаги в принтере.

♦ SR.4Select — отображение состояния линии Select (13). Единичное значение соответствует высокому уровню линии — сигналу о включении принтера.

♦ SR.3Error — отображение состояния линии Error# (15). Нулевое значение соответствует низкому уровню линии — сигналу о любой ошибке принтера.

♦ SR.2PIRQ — флаг прерывания по сигналу Ack# (только для порта PS/2). Бит обнуляется, если сигнал Ack# вызвал аппаратное прерывание. Единичное значение устанавливается по аппаратному сбросу и после чтения регистра состояния.

♦ SR[1:0] — зарезервированы.

Control Register (CR) — регистр управления, адрес=ВАSЕ+2, допускает запись и чтение. Регистр связан с 4-битным портом вывода управляющих сигналов (биты 0–3) для которых возможно и чтение; выходной буфер обычно имеет тип «открытый коллектор». Это позволяет корректно использовать линии данного регистра как входные при программировании их в высокий уровень. Биты 0, 1, 3 инвертируются.

Ниже описано назначение бит регистра управления.

♦ CR[7:6] — зарезервированы.

♦ CR.5Direction — бит управления направлением передачи (только для портов PS/2, см. ниже). Запись единицы переводит порт данных в режим ввода. При чтении состояние бита не определено.

♦ CR.4AckINTEN (Ack Interrupt Enable) — единичное значение разрешает прерывание по спаду сигнала на линии Ack# — сигнал запроса следующего байта.

♦ CR.3Select In — единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Select In# (17) — сигналу, разрешающему работу принтера по интерфейсу Centronics.

♦ CR.2Init — нулевое значение бита соответствует низкому уровню на выходе Init# (16) — сигнал аппаратного сброса принтера.

♦ CR.1Auto LF — единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Auto LF# (14) — сигналу на автоматический перевод строки (LF — Line Feed) по приему байта возврата каретки (CR). Иногда сигнал и бит называют AutoFD или AutoFDXT.

♦ CR.0Strobe — единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Strobe# (1) — сигналу стробирования выходных данных.

Запрос аппаратного прерывания (обычно IRQ7 или IRQ5) вырабатывается по отрицательному перепаду сигнала на выводе 10 разъема интерфейса (Ack#) при установке CR.4=1. Во избежание ложных прерываний контакт 10 соединен резистором с шиной +5 В. Прерывание вырабатывается, когда принтер подтверждает прием предыдущего байта. Как уже было сказано, BIOS это прерывание не использует и не обслуживает.

Перечислим шаги процедуры вывода байта по интерфейсу Centronics с указанием требуемого количества шинных операций процессора.

1. Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).

2. Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 — сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#).

3. По получению готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается. Обычно, чтобы переключить только один бит (строб), регистр управления предварительно считывается, что к двум циклам IOWR# добавляет еще один цикл IORD#.

Видно, что для вывода одного байта требуется 4–5 операций ввода-вывода с регистрами порта (в лучшем случае, когда готовность обнаружена по первому чтению регистра состояния). Отсюда вытекает главный недостаток вывода через стандартный порт — невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт удается разогнать до скоростей 100–150 Кбайт/с при полной загрузке процессора, что недостаточно для печати на лазерном принтере. Другой недостаток функциональный — сложность использования в качестве порта ввода.

Стандартный порт асимметричен — при наличии 12 линий (и бит), нормально работающих на вывод, на ввод работает только 5 линий состояния. Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена — Nibble Mode. В этом режиме, называемом также Hewlett Packard Bi-tronics, одновременно принимаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования. Таким образом, каждый байт передается за два цикла, а каждый цикл требует по крайней мере 5 операций ввода-вывода.

Схемотехника выходных буферов данных LPT-портов отличается большим разнообразием. На многих старых моделях адаптеров SPP-порт данных можно использовать и для организации ввода. Если в порт данных записать байт с единицами во всех разрядах, а на выходные линии интерфейса через микросхемы с выходом типа «открытый коллектор» подать какой-либо код (или соединить ключами какие-то линии со схемной землей), то этот код может быть считан из того же регистра данных. Однако выходным цепям передатчика информации придется «бороться» с выходным током логической единицы выходных буферов адаптера. Схемотехника ТТЛ такие решения не запрещает, но если внешнее устройство выполнено на микросхемах КМОП, их мощности может не хватить для «победы» в этом шинном конфликте. Однако современные адаптеры часто имеют в выходной цепи согласующий резистор с сопротивлением до 50 Ом. Выходной ток короткого замыкания выхода на землю обычно не превышает 30 мА. Простой расчет показывает, что даже в случае короткого замыкания контакта разъема на землю при выводе «единицы» на этом резисторе падает напряжение 1,5 В, что входной схемой приемника будет воспринято как «единица». Поэтому нельзя полагать, что такой способ ввода будет работать на всех компьютерах. На некоторых старых адаптерах портов выходной буфер отключается перемычкой на плате. Тогда порт превращается в обыкновенный порт ввода.

1.2. Расширения параллельного порта

Недостатки стандартного порта частично устраняли новые типы портов, появившиеся в компьютерах PS/2.

Двунаправленный порт 1 (Туре 1 parallel port) — интерфейс, введенный в PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном режиме. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит CR.5: 0 — буфер данных работает на вывод, 1 — на ввод. Не путайте этот порт, называемый также enhanced bi-directional, с EPP. Данный тип порта «прижился» и в обычных компьютерах, в CMOS Setup он может называться PS/2 или Bi-Di.

Порт с прямым доступом к памяти (Туре 3 DMA parallel port) применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, работающей с портом, требовалось только задать в памяти блок данных, подлежащих выводу, а затем вывод по протоколу Centronics производился без участия процессора.

Позже появились другие адаптеры LPT-портов, реализующие протокол обмена Centronics аппаратно, — Fast Centronics. Некоторые из них использовали FIFO-буфер данных — Parallel Port FIFO Mode. He будучи стандартизованными, такие порты разных производителей требовали наличия собственных специальных драйверов. Программы, использующие прямое управление регистрами стандартных портов, не могли задействовать их дополнительные возможности. Такие порты часто входили в состав мультикарт VLB. Существуют их варианты с шиной ISA, а также встроенные в системную плату.

1.3. Стандарт IEEE 1284

Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, описывает порты SPP, EPP и ECP. Стандарт определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

♦ Режим совместимости (Compatibility Mode) — однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует SPP-порту.

♦ Полубайтный режим (Nibble Mode) — ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена подходит для любых адаптеров, поскольку задействует только возможности стандартного порта.

♦ Байтный режим (Byte Mode) — ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или PS/2 Туре 1, см. выше).

♦ Режим EPP (EPP Mode) — двунаправленный обмен данными (EPP означает Enhanced Parallel Port). Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту. Эффективен при работе с устройствами внешней памяти и адаптерами локальных сетей.

♦ Режим ECP (ECP Mode) — двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE (Run Length Encoding) и использования FIFO-буферов и DMA (ECP означает Extended Capability Port). Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно. Эффективен для принтеров и сканеров (здесь может использоваться сжатие) и различных устройств блочного обмена.

Стандарт определяет способ, по которому ПО может определить режим, доступный и хосту (PC), и периферийному устройству (или присоединенному второму компьютеру). Режимы нестандартных портов, реализующих протокол обмена Centronics аппаратно (Fast Centronics, Parallel Port FIFO Mode), могут и не являться режимами IEEE 1284, несмотря на наличие в них черт EPP и ECP.

В компьютерах с LPT-портом на системной плате режим — SPP, EPP, ECP или их комбинация — задается в BIOS Setup. Режим совместимости полностью соответствует SPP-порту. Остальные режимы подробно рассмотрены ниже.

При описании режимов обмена фигурируют следующие понятия:

♦ хост — компьютер, обладающий параллельным портом;

♦ ПУ — периферийное устройство, подключаемое к этому порту;

♦ Ptr — в названиях сигналов обозначает передающее ПУ;

♦ прямой канал — канал вывода данных от хоста в ПУ;

♦ обратный канал — канал ввода данных в хост из ПУ.

1.3.1. Полубайтный режим ввода — Nibble Mode

Полубайтный режим предназначен для двунаправленного обмена и может работать на всех стандартных портах. Порты имеют 5 линий ввода состояния, используя которые ПУ может посылать в хост байт тетрадами (nibble — полубайт, 4 бита) за два приема. Сигнал Ack#, вызывающий прерывание, которое может использоваться в данном режиме, соответствует биту 6 регистра состояния, что усложняет программные манипуляции с битами при сборке байта. Сигналы порта приведены в табл. 1.2, временные диаграммы — на рис. 1.1.


Таблица 1.2. Сигналы LPT-порта в полубайтном режиме ввода

Контакт Сигнал SPP I/O Бит Описание
14 AutoFeed# O CR.1\ HostBusy — сигнал квитирования. Низкий уровень означает готовность к приему тетрады, высокий подтверждает прием тетрады
17 SelectIn# O CR.3\ Высокий уровень указывает на обмен в режиме IEEE 1284 (в режиме SPP уровень низкий)
10 Ack# I SR.6 PtrClk. Низкий уровень означает готовность тетрады, высокий — ответ на сигнал HostBusy
11 Busy I SR.7 Прием бита данных 3, затем бита 7
12 РЕ I SR.5 Прием бита данных 2, затем бита 6
13 Select I SR.4 Прием бита данных 1, затем бита 5
15 Error# I SR.3 Прием бита данных 0, затем бита 4

Рис. 1.1. Прием данных в полубайтном режиме

Прием байта данных в полубайтном режиме состоит из следующих фаз:

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает тетраду на входные линии состояния.

3. ПУ сигнализирует о готовности тетрады установкой низкого уровня на линии PtrClk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой тетрады.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.

6. Шаги 1–5 повторяются для второй тетрады.

Полубайтный режим сильно нагружает процессор, и поднять скорость обмена выше 50 Кбайт/с не удается. Безусловное его преимущество в том, что он работает на всех портах. Его применяют в тех случаях, когда поток данных невелик (например, для связи с принтерами). Однако при связи с адаптерами локальных сетей, внешними дисковыми накопителями и CD-ROM прием больших объемов данных требует изрядного терпения со стороны пользователя.

1.3.2. Двунаправленный байтный режим — Byte Mode

В этом режиме данные принимаются с использованием двунаправленного порта, у которого выходной буфер данных может отключаться установкой бита CR.5=1. Как и предыдущие, режим является программно-управляемым — все сигналы квитирования анализируются и устанавливаются драйвером. Сигналы порта описаны в табл. 1.3, временные диаграммы — на рис. 1.2.


Таблица 1.3. Сигналы LPT-порта в байтном режима ввода-вывода

Контакт Сигнал SPP Имя в байтном режиме I/O Бит Описание
1 Strobe# HostClk O CR.0\ Импульс (низкого уровня) подтверждает прием байта в конце каждого цикла
14 AutoFeed# HostBusy О CR.1\ Сигнал квитирования. Низкий уровень означает готовность хоста принять байт; высокий уровень устанавливается по приему байта
17 SelectIn# 1284Active О CR.3\ Высокий уровень указывает на обмен в режиме IEEE 1284 (в режиме SPP уровень низкий)
16 Init# Init# O CR.2 Не используется; установлен высокий уровень
10 Ack# PtrClk I SR.6 Устанавливается в низкий уровень для индикации действительности данных на линиях Data[0:7]. В низкий уровень устанавливается в ответ на сигнал HostBusy
11 Busy PtrBusy I SR.7\ Состояние занятости прямого канала
12 PE AckDataReq¹ I SR.5 Устанавливается ПУ для указания на наличие обратного канала передачи
13 Select Xflag¹ I SR.4 Флаг расширяемости
15 Error# DataAvail#¹ I SR.3 Устанавливается ПУ для указания на наличие обратного канала передачи
2-9 Data[0:7] Data[0:7] I/O DR[0:7] Двунаправленный (прямой и обратный) канал данных

¹ Сигналы действуют в последовательности согласования (см. ниже).


Рис. 1.2. Прием данных в байтном режиме

Фазы приема байта данных перечислены ниже.

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает байт данных на линии Data[0:7].

3. ПУ сигнализирует о действительности байта установкой низкого уровня на линии PtrClk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой байта.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.

6. Хост подтверждает прием байта импульсом HostClk.

Шаги 1–6 повторяются для каждого следующего байта. Квитирование осуществляется парой сигналов HostBusy и PtrClk; ПУ может и не использовать сигнал HostClk (это приглашение к выдаче следующего байта, напоминающее сигнал Ack# в интерфейсе Centronics). Побайтный режим позволяет поднять скорость обратного канала до скорости прямого канала в стандартном режиме. Однако он способен работать только на двунаправленных портах, которые раньше применялись в основном на малораспространенных машинах PS/2, но практически все современные порты можно сконфигурировать на двунаправленный режим (в настройках BIOS Setup — Bi-Di или PS/2).

1.3.3. Режим EPP

Протокол EPP (Enhanced Parallel Port — улучшенный параллельный порт) был разработан компаниями Intel, Xircom и Zenith Data Systems задолго до принятия стандарта IEEE 1284. Этот протокол предназначен для повышения производительности обмена по параллельному порту, впервые был реализован в чипсете Intel 386SL (микросхема 82360) и впоследствии принят множеством компаний как дополнительный протокол параллельного порта. Версии протокола, реализованные до принятия IEEE 1284, отличаются от нынешнего стандарта (см. ниже).

Протокол EPP обеспечивает четыре типа циклов обмена:

♦ запись данных;

♦ чтение данных;

♦ запись адреса;

♦ чтение адреса.

Назначение циклов записи и чтения данных очевидно. Адресные циклы используются для передачи адресной, канальной и управляющей информации. Циклы обмена данными отличаются от адресных циклов применяемыми стробирующими сигналами. Назначение сигналов порта EPP и их связь с сигналами SPP объясняются в табл. 1.4.


Таблица 1.4. Сигналы LPT-порта в режиме ввода-вывода EPP

Контакт Сигнал SPP Имя в EPP I/O Описание
1 Strobe# Write# O Низкий уровень — цикл записи, высокий — цикл чтения
14 AutoLF# DataStb# O Строб данных. Низкий уровень устанавливается в циклах передачи данных
17 SelectIn# AddrStb# O Строб адреса. Низкий уровень устанавливается в адресных циклах
16 Init# Reset# O Сброс ПУ (низким уровнем)
10 Ack# INTR# I Прерывание от ПУ
11 Busy Wait# I Сигнал квитирования. Низкий уровень разрешает начало цикла (установку строба в низкий уровень), переход в высокий — разрешает завершение цикла (снятие строба)
2-9 Data[0:7] AD[0:7] I/O Двунаправленная шина адреса/данных
12 PaperEnd AckDataReq¹ I Используется по усмотрению разработчика периферии
13 Select Xflag¹ I Используется по усмотрению разработчика периферии
15 Error# DataAvail#¹ I Используется по усмотрению разработчика периферии

¹ Сигналы действуют в последовательности согласования (см. ниже).


EPP-порт имеет расширенный набор регистров (табл. 1.5), который занимает в пространстве ввода-вывода 5–8 смежных байт.


Таблица 1.5. Регистры EPP-порта

Имя регистра Смещение Режим R/W Описание
SPP Data Port +0 SPP/EPP W Регистр данных SPP
SPP Status Port +1 SPP/EPP R Регистр состояния SPP
SPP Control Port +2 SPP/EPP W Регистр управления SPP
EPP Address Port +3 EPP R/W Регистр адреса EPP. Чтение или запись в него генерирует связанный цикл чтения или записи адреса EPP
EPP Data Port +4 EPP R/W Регистр данных EPP. Чтение (запись) генерирует связанный цикл чтения (записи) данных EPP
Not Defined +5…+7 EPP N/A В некоторых контроллерах могут использоваться для 16-32-битных операций ввода-вывода

В отличие от программно-управляемых режимов, описанных выше, внешние сигналы EPP-порта для каждого цикла обмена формируются аппаратно по одной операции записи или чтения в регистр порта. На рис. 1.3 приведена диаграмма цикла записи данных, иллюстрирующая внешний цикл обмена, вложенный в цикл записи системной шины процессора (иногда эти циклы называют связанными). Адресный цикл записи отличается от цикла данных только стробом внешнего интерфейса.

Рис. 1.3. Цикл записи данных EPP

Цикл записи данных состоит из следующих фаз.

1. Программа выполняет цикл вывода (IOWR#) в порт 4 (EPP Data Port).

2. Адаптер устанавливает сигнал Write# (низкий уровень), и данные помещаются на выходную шину LPT-порта.

3. При низком уровне Wait# устанавливается строб данных.

4. Порт ждет подтверждения от ПУ (перевода Wait# в высокий уровень).

5. Снимается строб данных — внешний EPP-цикл завершается.

6. Завершается процессорный цикл вывода.

7. ПУ устанавливает низкий уровень Wait#, указывая на возможность начала следующего цикла.

Пример адресного цикла чтения приведен на рис. 1.4. Цикл чтения данных отличается только применением другого стробирующего сигнала.

Рис. 1.4. Адресный цикл чтения EPP

Главной отличительной чертой EPP является выполнение внешней передачи во время одного процессорного цикла ввода-вывода. Это позволяет достигать высоких скоростей обмена (0,5–2 Мбайт/с). ПУ, подключенное к параллельному порту EPP, может работать со скоростью устройства, подключаемого через слот ISA.

Протокол блокированного квитирования (interlocked handshakes) позволяет автоматически настраиваться на скорость обмена, доступную и хосту, и ПУ. ПУ может регулировать длительность всех фаз обмена с помощью всего лишь одного сигнала Wait#. Протокол автоматически подстраивается под длину кабеля — вносимые задержки приведут только к удлинению цикла. Поскольку кабели, соответствующие стандарту IEEE 1284 (см. выше), имеют одинаковые волновые свойства для разных линий, нарушения передачи, связанного с «состязаниями» сигналов, происходить не должно. При подключении сетевых адаптеров или внешних дисков к EPP-порту можно наблюдать непривычное явление: снижение производительности по мере удлинения интерфейсного кабеля.

Естественно, ПУ не должно «подвешивать» процессор на шинном цикле обмена. Это гарантирует механизм тайм-аутов PC, который принудительно завершает любой цикл обмена, длящийся более 15 мкс. В ряде реализаций EPP за тайм-аутом интерфейса следит сам адаптер — если ПУ не отвечает в течение определенного времени (5 мкс), цикл прекращается и в дополнительном (нестандартизованном) регистре состояния адаптера фиксируется ошибка.

Устройства с интерфейсом EPP, разработанные до принятия IEEE 1284, отличаются началом цикла: строб DataStb# или AddrStb# устанавливается независимо от состояния WAIT#. Это означает, что ПУ не может задержать начало следующего цикла (хотя может растянуть его на требуемое время). Такая спецификация называется EPP 1.7 (предложена Xircom). Именно она применялась в контроллере 82360. Периферия, совместимая с IEEE 1284 EPP, будет нормально работать с контроллером EPP 1.7, но ПУ в стандарте EPP 1.7 может отказаться работать с контроллером EPP 1284.

С программной точки зрения контроллер EPP-порта выглядит просто (см. табл. 1.5). К трем регистрам стандартного порта, имеющим смещение 0, 1 и 2 относительно базового адреса порта, добавлены два регистра (EPP Address Port и EPP Data Port), чтение и запись в которые вызывает генерацию связанных внешних циклов.

Назначение регистров стандартного порта сохранено для совместимости EPP-порта с ПУ и ПО, рассчитанными на применение программно-управляемого обмена. Поскольку сигналы квитирования адаптером вырабатываются аппаратно, при записи в регистр управления CR биты 0, 1 и 3, соответствующие сигналам Strobe#, AutoFeed# и SelectIn# должны иметь нулевые значения. Программное вмешательство могло бы нарушить последовательность квитирования. Некоторые адаптеры имеют специальные средства защиты (EPP Protect), при включении которых программная модификация этих бит блокируется.

Использование регистра данных EPP позволяет осуществлять передачу блока данных с помощью одной инструкции REP INSB или REP OUTSB. Некоторые адаптеры допускают 16/32-битное обращение к регистру данных EPP. При этом адаптер просто дешифрует адрес со смещением в диапазоне 4–7 как адрес регистра данных EPP, но процессору сообщает о разрядности 8 бит. Тогда 16- или 32-битное обращение по адресу регистра данных EPP приведет к автоматической генерации двух или четырех шинных циклов по нарастающим адресам, начиная со смещения 4. Эти циклы будут выполняться быстрее, чем то же количество одиночных циклов. Более «продвинутые» адаптеры для адреса регистра данных EPP сообщают разрядность 32 бит и для них до 4 байт может быть передано за один цикл обращения процессора. Таким образом обеспечивается производительность до 2 Мбайт/с, достаточная для адаптеров локальных сетей, внешних дисков, стриммеров и CD-ROM. Адресные циклы EPP всегда выполняются только в однобайтном режиме.

Важной чертой EPP является то, что обращение процессора к ПУ осуществляется в реальном времени — нет буферизации. Драйвер способен отслеживать состояние и подавать команды в точно известные моменты времени. Циклы чтения и записи могут чередоваться в произвольном порядке или идти блоками. Такой тип обмена удобен для регистро-ориентированных ПУ или ПУ, работающих в реальном времени, например устройств сбора информации и управления. Этот режим пригоден и для устройств хранения данных, сетевых адаптеров, принтеров, сканеров и т.п.

К сожалению, режим EPP поддерживается не всеми портами — он отсутствует, к примеру, в ряде блокнотных ПК. Так что при разработке собственных устройств ради большей совместимости с компьютерами приходится ориентироваться на режим ECP.

1.3.4. Режим ECP

Протокол ECP (Extended Capability Port — порт с расширенными возможностями) был предложен Hewlett Packard и Microsoft для связи с ПУ типа принтеров или сканеров. Как и EPP, данный протокол обеспечивает высокопроизводительный двунаправленный обмен данными хоста с ПУ.

Протокол ECP в обоих направлениях обеспечивает два типа циклов:

♦ циклы записи и чтения данных;

♦ командные циклы записи и чтения.

Командные циклы подразделяются на два типа: передача канальных адресов и передача счетчика RLC (Run-Length Count).

В отличие от EPP вместе с протоколом ЕСР сразу появился стандарт на программную (регистровую) модель его адаптера, изложенный в документе «The IEEE 1284 Extended Capabilities Port Protocol and ISA Interface Standard» компании Microsoft. Этот документ определяет свойства протокола, не заданные стандартом IEEE 1284:

♦ компрессия данных хост-адаптером по методу RLE;

♦ буферизация FIFO для прямого и обратного каналов;

♦ применение DMA и программного ввода-вывода.

Компрессия в реальном времени по методу RLE (Run-Length Encoding) позволяет достичь коэффициента сжатия 64:1 при передаче растровых изображений, которые имеют длинные строки повторяющихся байт. Компрессию можно использовать, только если ее поддерживают и хост, и ПУ.

Канальная адресация ECP применяется для адресации множества логических устройств, входящих в одно физическое. Например, в комбинированном устройстве факс/принтер/модем, подключаемом только к одному параллельному порту, возможен одновременный прием факса и печать на принтере. В режиме SPP, если принтер установит сигнал занятости, канал будет занят данными, пока принтер их не примет. В режиме ECP программный драйвер просто адресуется к другому логическому каналу того же порта.

Протокол ECP переопределяет сигналы SPP (табл. 1.6).


Таблица 1.6. Сигналы LPT-порта в режиме ввода-вывода ECP

Контакт Сигнал SPP Имя в ECP I/O Описание
1 Strobe# HostClk О Строб данных, используется в паре с PeriphAck для передачи в прямом направлении (вывод)
14 AutoLF# HostAck О Указывает тип цикла (команда/данные) при передаче в прямом направлении. Используется как сигнал подтверждения в паре с PeriphClk для передачи в обратном направлении
17 SelectIn# 1284Active O Высокий уровень указывает на обмен в режиме IEEE 1284 (в режиме SPP уровень низкий)
16 Init# ReverseRequest# O Запрос реверса. Низкий уровень сигнализирует о переключении канала на передачу в обратном направлении
10 Ack# PeriphClk I Строб данных, используется в паре с HostAck для передачи в обратном направлении
11 Busy PeriphAck I Используется как сигнал подтверждения в паре с HostClk для передачи в прямом направлении. Индицирует тип команда/данные при передаче в образном направлении
12 PaperEnd AckReverse# I Подтверждение реверса. Переводится в низкий уровень в ответ на ReverseRequest#
13 Select Xflag¹ I Флаг расширяемости
15 Error# PeriphRequest#¹ I Устанавливается ПУ для указания на доступность (наличие) обратного канала передачи¹
2-9 Data [0:7] Data [0:7] I/O Двунаправленный канал данных

¹ Сигналы действуют в последовательности согласования (см. ниже)


Адаптер ECP тоже генерирует внешние протокольные сигналы квитирования аппаратно, но его работа существенно отличается от режима EPP.

На рис. 1.5, а приведена диаграмма двух циклов прямой передачи: за циклом данных следует командный цикл. Тип цикла задается уровнем на линии HostAck: в цикле данных — высокий, в командном цикле — низкий. В командном цикле байт может содержать канальный адрес или счетчик RLE. Отличительным признаком является бит 7 (старший): если он нулевой, то биты 0–6 содержат счетчик RLE (0-127), если единичный — то канальный адрес. На рис. 1.5, б показана пара циклов обратной передачи.

Рис. 1.5. Передача в режиме ECP: а — прямая, б — обратная

В отличие от диаграмм обмена EPP, на рис. 1.5 не приведены сигналы циклов системной шины процессора. В данном режиме обмен программы с ПУ разбивается на два относительно независимых процесса, которые связаны через FIFO-буфер. Обмен драйвера с FIFO-буфером может осуществляться как с использованием DMA, так и программного ввода-вывода. Обмен ПУ с буфером аппаратно выполняет адаптер ECP. Драйвер в режиме ЕСР не имеет информации о точном состоянии процесса обмена, но обычно важно только то, завершен он или нет.

Прямая передача данных на внешнем интерфейсе состоит из следующих шагов:

1. Хост помещает данные на шину канала и устанавливает признак цикла данных (высокий уровень) или команды (низкий уровень) на линии HostAck.

2. Хост устанавливает низкий уровень на линии HostClk, указывая на действительность данных.

3. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PeriphAck.

4. Хост устанавливает высокий уровень линии HostClk, и этот перепад может использоваться для фиксации данных в ПУ.

5. ПУ устанавливает низкий уровень на линии PeriphAck для указания на готовность к приему следующего байта.

Поскольку передача в ЕСР происходит через FIFO-буферы, которые могут присутствовать на обеих сторонах интерфейса, важно понимать, на каком этапе данные можно считать переданными. Данные считаются переданными на шаге 4, когда линия HostClk переходит в высокий уровень. В этот момент модифицируются счетчики переданных и принятых байт. В протоколе ЕСР есть условия, вызывающие прекращение обмена между шагами 3 и 4. Тогда эти данные не должны рассматриваться как переданные.

Из рис. 1.5 видно и другое отличие ЕСР от EPP. Протокол EPP позволяет драйверу чередовать циклы прямой и обратной передачи, не запрашивая подтверждения на смену направления. В ЕСР смена направления должна быть согласована: хост запрашивает реверс установкой ReverseRequest#, после чего он должен дождаться подтверждения сигналом AckReverse#. Поскольку предыдущий цикл мог выполняться по прямому доступу, драйвер должен дождаться завершения прямого доступа или прервать его, выгрузить буфер FIFO, определив точное значение счетчика переданных байт, и только после этого запрашивать реверс.

Обратная передача данных состоит из следующих шагов:

1. Хост запрашивает изменение направления канала, устанавливая низкий уровень на линии ReverseRequest#.

2. ПУ разрешает смену направления установкой низкого уровня на линии AckReverse#.

3. ПУ помещает данные на шину канала и устанавливает признак цикла данных (высокий уровень) или команды (низкий уровень) на линии PeriphAck.

4. ПУ устанавливает низкий уровень на линии PeriphClk, указывая на действительность данных.

5. Хост отвечает установкой высокого уровня на линии HostAck.

6. ПУ устанавливает высокий уровень линии PeriphClk; этот перепад может использоваться для фиксации данных хостом.

7. Хост устанавливает низкий уровень на линии HostAck для указания на готовность к приему следующего байта.

1.3.5. Режимы и регистры ЕСР-порта

Программный интерфейс и регистры ЕСР для адаптеров IEEE 1284 определяет спецификация Microsoft. Порт ЕСР может работать в различных режимах, приведенных в табл. 1.7, где код соответствует полю Mode регистра ECR (биты [7:5]).


Таблица 1.7. Режимы ЕСР-порта

Код Режим
000 SPP mode, стандартный (традиционный) режим
001 Bi-directional mode, двунаправленный порт (тип 1 для PS/2)
010 Fast Centronics, однонаправленный с использованием FIFO и DMA
011 ЕСР Parallel Port mode, собственно режим ЕСР
100 ЕРР Parallel Port mode, режим ЕРР¹
101 Зарезервировано
110 Test mode, тестирование работы FIFO и прерываний
111 Configuration mode, доступ к конфигурационным регистрам

¹ Этот режим не входит в спецификацию Microsoft, но трактуется как ЕРР многими адаптерами портов, если в CMOS Setup установлен режим ЕСР+ЕРР.


Регистровая модель адаптера ЕСР (табл. 1.8) использует свойства архитектуры стандартной шины и адаптеров ISA, где для дешифрации адресов портов ввода-вывода задействуются только 10 младших линий шины адреса. Поэтому, например, обращения по адресам Port, Port+400h, Port+800h… будут восприниматься как обращения к адресу Port, лежащему в диапазоне 0-3FFh. Современные PC и адаптеры декодируют большее количество адресных бит, поэтому обращения по адресам 0378h и 0778Н будут адресованы двум различным регистрам. Помещение дополнительных регистров ЕСР «за спину» регистров стандартного порта (смещение 400-402Н) преследует две цели. Во-первых, эти адреса никогда не использовались традиционными адаптерами и их драйверами, и их применение в ЕСР не приведет к сужению доступного адресного пространства ввода-вывода. Во-вторых, этим обеспечивается совместимость со старыми адаптерами на уровне режимов 000–001 и возможность определения факта присутствия ЕСР-адаптера посредством обращения к его расширенным регистрам.


Таблица 1.8. Регистры ЕСР

Смещение Имя R/W Режимы ECP¹ Название
000 DR R/W 000-001 Data Register
000 ECPAFIFO R/W 011 ЕСР Address FIFO
001 SR R/W Все Status Register
002 CR R/W Все Control Register
400 SDFIFO R/W 010 Parallel Port Data FIFO
400 ECPDFIFO R/W 011 ECP Data FIFO
400 TFIFO R/W 110 Test FIFO
400 ECPCFGA R 111 Configuration Register A
401 ECPCFGB R/W 111 Configuration Register В
402 ECR R/W Все Extended Control Register

¹ Регистры доступны только в данных режимах (указаны значения бит 7–5 регистра ECR)


Каждому режиму ЕСР соответствуют (и доступны) свои функциональные регистры. Переключение режимов осуществляется записью в регистр ECR. «Дежурными» режимами, включаемыми по умолчанию, являются 000 или 001. В любом из них работает полубайтный режим ввода. Из этих режимов всегда можно переключиться в любой другой, но из старших режимов (010–111) переключение возможно только в 000 или 001. Для корректной работы интерфейса перед выходом из старших режимов необходимо дождаться завершения обмена по прямому доступу и очистки FIFO-буфера.

В режиме 000 (SPP) порт работает как однонаправленный программно-управляемый SPP-порт.

В режиме 001 (Bi-Di PS/2) порт работает как двунаправленный порт PS/2 типа 1. От режима 000 отличается возможностью реверса канала данных по биту CR.5.

Режим 010 (Fast Centronics) предназначен только для высокопроизводительного вывода через FIFO-буфер с использованием DMA. Сигналы квитирования по протоколу Centronics вырабатываются аппаратно. Сигнал запроса прерывания вырабатывается по состоянию FIFO-буфера, но не по сигналу Ack# (запрос одиночного байта «не интересует» драйвер быстрого блочного вывода).

Режим 011 является собственно режимом ЕСР, описанным выше, Поток данных и команд, передаваемых в ПУ, помещается в FIFO-буфер через регистры ECPDFIFO и ECPAFIFO соответственно. Из FIFO они выводятся с соответствующим признаком цикла (состояние линии HostAck). Принимаемый поток данных от ПУ извлекается из FIFO-буфера через регистр ECPDFIFO. Получение адреса в командном цикле от ПУ не предусматривается. Обмен с регистром ECPDFIFO может производиться и по каналу DMA.

Компрессия по методу RLE при передаче выполняется программно. Для передачи подряд более двух одинаковых байт данных в регистр ЕСPAFIFO записывается байт, у которого младшие 7 бит содержат счетчик RLC (значение RLC=127 соответствует 128 повторам), а старший бит нулевой. После этого в ECPDFIFO записывается сам байт. Принимая эту пару байт (командный байт и байт данных), ПУ осуществляет декомпрессию. При приеме потока от ПУ адаптер ЕСР декомпрессию осуществляет аппаратно и в FIFO-буфер помещает уже декомпрессированные данные. Отсюда очевидно, что вывод данных с одновременным использованием компрессии и DMA невозможен.

Режим 100 (EPP) — один из способов включения режима EPP (если таковой поддерживается адаптером и разрешен в CMOS Setup).

Режим 110 (Test Mode) предназначен для тестирования взаимодействия FIFO и прерываний. Данные могут передаваться в регистр TFIFO и из него с помощью DMA или программным способом. На внешний интерфейс обмен не воздействует. Адаптер отрабатывает операции вхолостую на максимальной скорости интерфейса (как будто сигналы квитирования приходят без задержек). Адаптер следит за состоянием буфера и по мере необходимости вырабатывает сигналы запроса прерывания. Таким образом программа может определить максимальную пропускную способность канала.

Режим 111 (Configuration mode) предназначен для доступа к конфигурационным регистрам. Выделение режима защищает адаптер и протокол от некорректных изменений конфигурации в процессе обмена.

Как уже упоминалось, каждому режиму ЕСР соответствуют свои функциональные регистры (табл. 1.8).

Регистр данных DR используется для передачи данных только в программно-управляемых режимах (000 и 001).

Регистр состояния SR передает значение сигналов на соответствующих линиях (как в SPP).

Регистр управления CR имеет назначение бит, совпадающее с SPP. В режимах 010, 011 запись в биты 0, 1 (сигналы AutoLF# и Strobe#) игнорируется.

Регистр ECPAFIFO служит для помещения информации командных циклов (канального адреса или счетчика RLE, в зависимости от бита 7) в FIFO-буфер. Из буфера информация будет выдана в командном цикле вывода.

Регистр SDFIFO используется для передачи данных в режиме 010. Данные, записанные в регистр (или посланные по каналу DMA), передаются через буфер FIFO по реализованному аппаратно протоколу Centronics. При этом должно быть задано прямое направление передачи (бит CR.5=0).

Регистр DFIFO используется для обмена данными в режиме 011 (ЕСР). Данные, записанные в регистр или считанные из него (или переданные по каналу DMA), передаются через буфер FIFO по протоколу ЕСР.

Регистр TFIFO обеспечивает механизм тестирования FIFO-буфера в режиме 110.

Регистр ECPCFGA позволяет считывать информацию об адаптере (идентификационный код в битах [7:4]).

Регистр ECPCFGB позволят хранить любую информацию, необходимую драйверу. Запись в регистр не влияет на работу порта.

Регистр ECR — главный управляющий регистр ЕСР. Его биты имеют следующее назначение:

♦ ECR[7:5]ЕСР MODE — задают режим ЕСР;

♦ ECR.4ERRINTREN# — (Error Interrupt Disable) запрещает прерывания по сигналу Error# (при нулевом значении бита по отрицательному перепаду на этой линии вырабатывается запрос прерывания);

♦ ECR.3DMAEN — (DMA Enable) разрешает обмен по каналу DMA;

♦ ECR.2SERVICEINTR — (Service Interrupt) запрещает сервисные прерывания, которые вырабатываются по окончании цикла DMA (если он разрешен), по порогу заполнения/опустошения FIFO-буфера (если не используется DMA) и по ошибке переполнения буфера сверху или снизу;

♦ ECR.1FIFOFS — (FIFO Full Status) сигнализирует о заполнении буфера; при FIFOFS=1 в буфере нет ни одного свободного байта;

♦ ECR.0FIFOES — (FIFO Empty Status) указывает на полное опустошение буфера; комбинация FIFOFS=FIFOES=1 означает ошибку работы с FIFO (переполнение сверху или снизу).

Когда порт находится в стандартном или двунаправленном режимах (000 или 001), первые три регистра полностью совпадают с регистрами стандартного порта. Так обеспечивается совместимость драйвера со старыми адаптерами и старых драйверов с новыми адаптерами.

По интерфейсу с программой ECP-порт напоминает EPP: после установки режима (записи кода в регистр ECR) обмен данными с устройством сводится к чтению или записи в соответствующие регистры. За состоянием FIFO-буфера наблюдают либо по регистру ECR, либо по обслуживанию сервисных прерываний от порта. Весь протокол квитирования генерируется адаптером аппаратно. Обмен данными с ЕСР-портом (кроме явного программного) возможен и по прямому доступу к памяти (каналу DMA), что эффективно при передаче больших блоков данных.

1.3.6. Согласование режимов IEEE 1284

ПУ в стандарте IEEE 1284 обычно не требуют от контроллера реализации всех предусмотренных этим стандартом режимов. Для определения режимов и методов управления конкретным устройством стандарт предусматривает последовательность согласования (negotiation sequence). Последовательность построена так, что старые устройства, не поддерживающие IEEE 1284, на нее не ответят, и контроллер останется в стандартном режиме. Периферия IEEE 1284 может сообщить о своих возможностях, и контроллер установит режим, удовлетворяющий и хост, и ПУ.

Во время фазы согласования контроллер выставляет на линии данных байт расширяемости (extensibility byte), запрашивая подтверждение на перевод интерфейса в требуемый режим или прием идентификатора ПУ (табл. 1.9). Идентификатор передается контроллеру в запрошенном режиме (любой режим обратного канала, кроме EPP). ПУ использует сигнал Xflag (Select в терминах SPP) для подтверждения запрошенного режима обратного канала, кроме полубайтного, который поддерживается всеми устройствами IEEE 1284. Бит Extensibility Link request послужит для определения дополнительных режимов в будущих расширениях стандарта.


Таблица 1.9. Биты в байте расширяемости

Бит Описание Допустимые комбинации бит [7:0]
7 Request Extensibility Link — зарезервирован 1000 0000
6 Запрос режима ЕРР 0100 0000
5 Запрос режима ЕСР с RLE 0011 0000
4 Запрос режима ЕСР без RLE 0001 0000
3 Зарезервировано 0000 1000
2 Запрос идентификатора устройства с ответом в режиме:  
полубайтный 0000 0100
байтный 0000 0101
ЕСР без RLE 0001 0100
ЕСР с RLE 0011 0100
1 Зарезервировано 0000 0010
0 Запрос полубайтного режима 0000 0001
none Запрос байтного режима 0000 0000

Последовательность согласования (рис. 1.6) состоит из следующих шагов.

1. Хост выводит байт расширяемости на линии данных.

2. Хост устанавливает высокий уровень сигнала SelectIn# и низкий — AutoFeed#, что означает начало последовательности согласования.

3. ПУ отвечает установкой низкого уровня сигнала Ack# и высокого — Error#, PaperEnd и Select. Устройство, «не понимающее» стандарта 1284, ответа не даст, и дальнейшие шаги не выполнятся.

4. Хост устанавливает низкий уровень сигнала Strobe# для записи байта расширяемости в ПУ.

5. Хост устанавливает высокий уровень сигналов Strobe# и AutoLF#.

6. ПУ отвечает установкой в низкий уровень сигналов PaperEnd и Error#, если ПУ имеет обратный канал передачи данных. Если запрошенный режим поддерживается устройством, на линии Select устанавливается высокий уровень, если не поддерживается — низкий.

7. ПУ устанавливает высокий уровень на линии Ack# для указания на завершение последовательности согласования, после чего контроллер задает требуемый режим работы.

Рис. 1.6. Последовательность согласования режимов IEEE 1284

1.3.7. Физический и электрический интерфейсы

Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и передатчиков сигналов, которые по уровням совместимы с ТТЛ. Спецификации стандартного порта не задавали типов выходных схем, предельных значений величин нагрузочных резисторов и емкости, вносимой цепями и проводниками. На относительно невысоких скоростях обмена разброс этих параметров не вызывал проблем совместимости. Однако расширенные (функционально и по скорости передачи) режимы требуют четких спецификаций. IEEE 1284 определяет два уровня интерфейсной совместимости. Первый уровень (Level I) определен для устройств медленных, но использующих смену направления передачи данных. Второй уровень (Level II) определен для устройств, работающих в расширенных режимах с высокими скоростями и длинными кабелями. К передатчикам предъявляются следующие требования.

♦ Уровни сигналов без нагрузки не должны выходить за пределы -0,5…+5,5 В.

♦ Уровни сигналов при токе нагрузки 14 мА должны быть не ниже +2,4 В для высокого уровня (VOH) и не выше +0,4 В для низкого уровня (VOL) на постоянном токе.

♦ Выходной импеданс RO, измеренный на разъеме, должен составлять 50±5 Ом на уровне VOH-VOL. Для обеспечения заданного импеданса используют последовательные резисторы в выходных цепях передатчика. Согласование импеданса передатчика и кабеля снижает уровень импульсных помех.

♦ Скорость нарастания (спада) импульса должна находиться в пределах 0,05-0,4 В/нс.

Ниже перечислены требования к приемникам.

♦ Допустимые пиковые значения сигналов -2,0…+7,0 В.

♦ Пороги срабатывания должны быть не выше 2,0 В (VIH) для высокого уровня и не ниже 0,8 В (VIL) для низкого.

♦ Приемник должен иметь гистерезис в пределах 0,2–1,2 В (гистерезисом обладают специальные микросхемы — триггеры Шмитта).

♦ Входной ток микросхемы (втекающий и вытекающий) не должен превышать 20 мкА, входные линии соединяются с шиной питания +5 В резистором 1,2 кОм.

♦ Входная емкость не должна превышать 50 пФ.

Когда появилась спецификация ЕСР, компания Microsoft рекомендовала применение динамических терминаторов на каждую линию интерфейса. Однако в настоящее время следуют спецификации IEEE 1284, в которой динамические терминаторы не применяются. Рекомендованные схемы входных, выходных и двунаправленных цепей приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Оконечные цепи линий интерфейса IEEE 1284: a — однонаправленные линии, б — двунаправленные

Стандарт IEEE 1284 определяет три типа используемых разъемов. Типы A (DB-25) и В (Centronics-36) характерны для традиционных кабелей подключения принтера, тип С — новый малогабаритный 36-контактный разъем.

Традиционные интерфейсные кабели имеют от 18 до 25 проводов, в зависимости от числа проводников цепи GND. Эти проводники могут быть как перевитыми, так и нет. К экранированию кабеля жестких требований не предъявлялось. Такие кабели вряд ли будут надежно работать на скорости передачи 2 Мбайт/с и при длине более 2 м.

Стандарт IEEE 1284 регламентирует свойства кабелей.

♦ Все сигнальные линии должны быть перевитыми с отдельными обратными (общими) проводами.

♦ Каждая пара должна иметь импеданс 62±6 Ом в частотном диапазоне 4-16 МГц.

♦ Уровень перекрестных помех между парами не должен превышать 10%.

♦ Кабель должен иметь экран (фольгу), покрывающий не менее 85% внешней поверхности. На концах кабеля экран должен быть окольцован и соединен с контактом разъема.

Кабели, удовлетворяющие этим требованиям, маркируются надписью «IEEE Std 1284–1994 Compliant». Они могут иметь длину до 10 метров, обозначения типов приведены в табл. 1.10.


Таблица 1.10. Типы кабелей IEEE 1284

Тип Расшифровка Разъем 1 Разъем 2
AMAM Type A Male — Type A Male А (вилка) А (вилка)
AMAF Type A Male — Type A Female А (вилка) А (розетка)
AB Type A Male — Туре В Plug — стандартный кабель к принтеру А (вилка) В
АС Type A Male — Туре С Plug — новый кабель к принтеру А (вилка) С
BC Туре В Plug — Type С Plug В С
CC Туре С Plug — Type С Plug С С

1.3.8. Развитие стандарта IEEE 1284

Ниже перечислены некоторые дополнения основного стандарта IEEE 1284.

♦ IEEE P1284.1 «Standard for Information Technology for Transport Independent Printer/Scanner Interface (TIP/SI)». Этот стандарт разрабатывается для управления и обслуживания сканеров и принтеров на основе протокола NPAP (Network Printing Alliance Protocol).

♦ IEEE P1284.2 «Standard for Test, Measurement and Conformance to IEEE Std. 1284» — стандарт для тестирования портов, кабелей и устройств на совместимость с IEEE 1284.

♦ IEEE P1284.3 «Standard for Interface and Protocol Extensions to IEEE Std. 1284 Compliant Peripheral and Host Adapter Ports» — стандарт на драйверы и использование устройств прикладным программным обеспечением (ПО). Приняты спецификации BIOS для использования EPP драйверами DOS. Прорабатывается стандарт на разделяемое использование одного порта цепочкой устройств или группой устройств, подключаемых через мультиплексор.

♦ IEEE P1284.4 «Standard for Data Delivery and Logical Channels for IEEE Std. 1284 Interfaces» направлен на реализацию пакетного протокола достоверной передачи данных через параллельный порт. Основой служит протокол MLC (Multiple Logical Channels) фирмы Hewlett-Packard, однако совместимость с ним в окончательной версии стандарта не гарантируется.

1.4. Системная поддержка LPT-порта

Системная поддержка LPT-порта включает поиск установленных портов и сервисы печати (Int 17h, см. п. 8.3.3). В процессе начального тестирования POST BIOS проверяет наличие параллельных портов по адресам 3BCh, 378h и 278h и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS Data Area 0:0408h, 040Ah, 040Ch, 040Eh. Эти ячейки хранят адреса портов LPT1-LPT4, нулевое значение адреса является признаком отсутствия порта с данным номером. В ячейки 0:0478, 0479, 047А, 047В заносятся константы, задающие тайм-аут для этих портов.

Поиск портов обычно ведется достаточно примитивно — по базовому адресу (в регистр данных предполагаемого порта) выводится тестовый байт (AAh или 55h), затем производится ввод по тому же адресу. Если считанный байт совпал с записанным, предполагается, что найден LPT-порт; его адрес помещается в ячейку BIOS Data Area. Базовые адреса портов могут быть впоследствии изменены программно. Адрес порта LPT4 система BIOS самостоятельно установить не может, поскольку в списке стандартных адресов поиска имеются только три вышеуказанных.

Обнаруженные порты инициализируются — записью в регистр управления формируется и снимается сигнал Init#, после чего записывается значение 0Ch, соответствующее исходному состоянию сигналов интерфейса. В некоторых случаях сигнал Init# активен с момента аппаратного сброса до инициализации порта при загрузке ОС. Это можно заметить по поведению включенного принтера во время перезагрузки компьютера — у принтера надолго гаснет индикатор On-Line. Следствие этого явления — невозможность распечатки экранов (например, параметров BIOS Setup) по нажатию клавиши Print Screen до загрузки ОС.

1.5. Параллельный порт и PnP

Большинство современных периферийных устройств, подключаемых к LPT-порту, поддерживает стандарт 1284 и функции PnP. Для поддержки этих функций компьютером с аппаратной точки зрения достаточно иметь контроллер интерфейса, соответствующий стандарту 1284. Если подключаемое устройство поддерживает PnP, оно по протоколу согласования режимов 1284 способно «договориться» с портом, представляющим «интересы» компьютера, о возможных режимах обмена. Далее, для работы PnP подключенное устройство должно сообщить операционной системе все необходимые сведения о себе. Как минимум это идентификаторы производителя, модели и набор поддерживаемых команд. Более развернутая информация об устройстве может содержать идентификатор класса, подробное описание и идентификатор устройства, с которым обеспечивается совместимость. В соответствии с принятой информацией для поддержки данного устройства операционная система может предпринять действия по установке требуемого программного обеспечения.

Устройства с поддержкой PnP распознаются ОС на этапе ее загрузки, если, конечно же, они подключены к порту интерфейсным кабелем и у них включено питание. Если ОС Windows обнаруживает подключенное устройство PnP, отличающееся от того, что прописано в ее реестре для данного порта (или просто новое устройство), она пытается установить требуемые для устройства драйверы из дистрибутива ОС или из комплекта поставки нового устройства. Если Windows не желает замечать вновь подключенного устройства PnP, это может свидетельствовать о неисправности порта или кабеля. Система PnP не работает, если устройство подключается дешевым «не двунаправленным» кабелем, у которого отсутствует связь по линии SelectIn# (контакт 17 порта LPT и контакт 36 разъема Centronics).

1.6. Применение LPT-порта

Обычно LPT-порт используют для подключения принтера (см. п. 8.3.1), однако этим его применение не исчерпывается.

Для связи двух компьютеров по параллельному интерфейсу применяются различные кабели в зависимости от режимов используемых портов. Самый простой и медленный — полубайтный режим, работающий на всех портах. Для этого режима в кабеле достаточно иметь 10 сигнальных и один общий провод. Распайка разъемов кабеля приведена в табл. 1.11. Связь двух PC данным кабелем поддерживается стандартным ПО типа Interlnk из MS-DOS или Norton Commander. Заметим, что здесь применяется свой протокол, отличный от описанного в п. 1.3.1.


Таблица 1.11. Кабель связи PC-PC (4-битный)

X1, разъем PC#1 X2, разъем PC#2
Бит Контакт Контакт Бит
DR.0 2 15 SR.3
DR.1 3 13 SR.4
DR.2 4 12 SR.5
DR.3 5 10 SR.6
DR.4 6 11 SR.7
SR.6 10 5 DR.3
SR.7 11 6 DR.4
SR.5 12 4 DR.2
SR.4 13 3 DR.1
SR.3 15 2 DR.0
GND 18-25 18-25 GND

Разъемы X1 и X2 — DB25-P (вилки).


Высокоскоростная связь двух компьютеров может выполняться и в режиме ЕСР (режим ЕРР неудобен, поскольку требует синхронизации шинных циклов ввода- вывода двух компьютеров).

В табл. 1.12 приведена распайка кабеля, в аналогичной таблице предыдущих книг автора (см. [2] и [5]) была ошибка (перепутаны контакты 13 и 15). Из всех сигналов в кабеле не используется лишь PeriphRequest# (контакт 15). В цепи линий данных рекомендуется вставить последовательные резисторы (0,5–1 кОм), препятствующие протеканию слишком больших токов, когда порты данных обоих компьютеров находятся в режиме вывода. Эта ситуация возникает, когда коммуникационное ПО компьютеров еще не запущено. Связь в режиме ЕСР поддерживается Windows 9х, в комплект поставки этих ОС входит драйвер PARALINK.VxD, но из-за внутренней ошибки он неработоспособен. «Заплатку» на этот драйвер, а также тестовую утилиту и необходимые описания можно найти в сети (www.lpt.com, www.lvr.com/parport.htm).


Таблица 1.12. Кабель связи PC-PC в режиме ЕСР и байтном режиме

Разъем X1 Разъем X2
Контакт Имя в ЕСР Имя в ЕСР Контакт
1 HostClk PeriphClk 10
14 HostAck PeriphAck 11
17 1284Active Xflag 13
16 ReverseRequest# AskReverse# 12
10 PeriphClk HostClk 1
11 PeriphAck HostAck 14
12 AckReverse# ReverseRequest# 16
13 Xflag 1284Active 17
2, 3…9 Data [0:7] Data [0:7] 2, 3…9

Подключение сканера к LPT-порту эффективно, только если порт обеспечивает хотя бы двунаправленный режим (Bi-Di), поскольку основной поток — ввод. Лучше использовать порт ЕСР, если этот режим поддерживается сканером (или ЕРР, что маловероятно).

Подключение внешних накопителей (Iomega Zip Drive, CD-ROM и др.), адаптеров ЛВС и других симметричных устройств ввода-вывода имеет свою специфику. В режиме SPP наряду с замедлением работы устройства заметна принципиальная асимметрия этого режима: чтение данных происходит в два раза медленнее, чем (весьма небыстрая) запись. Применение двунаправленного режима (Bi-Di или PS/2 Туре 1) устранит эту асимметрию — скорости сравняются. Только перейдя на ЕРР или ЕСР, можно получить нормальную скорость работы. В режиме ЕРР или ЕСР подключение к LPT-порту почти не уступает по скорости подключению через ISA- контроллер. Это справедливо и при подключении устройств со стандартным интерфейсом шин к LPT-портам через преобразователи интерфейсов (например, LPT-IDE, LPT-SCSI, LPT-PCMCIA). Заметим, что винчестер IDE, подключенный через адаптер к LPT-порту, для системы может быть представлен как устройство SCSI (это логичнее с программной точки зрения).

В табл. 1.13 описано назначение выводов разъема LPT-порта в различных режимах и их соответствие битам регистров стандартного порта.


Таблица 1.13. Назначение выводов разъема LPT-порта и бит регистров в режимах SPP, ЕСР и ЕРР

Контакт I/O Бит¹ SPP ECP EPP
1 O/I CR.0\ Strobe# HostClk Write#
2 O/I DR.0 Data 0 Data 0 Data 0
3 O/I DR.1 Data 1 Data 1 Data 1
4 O/I DR.2 Data 2 Data 2 Data 2
5 O/I DR.3 Data 3 Data 3 Data 3
6 O/I DR.4 Data 4 Data 4 Data 4
7 O/I DR.5 Data 5 Data 5 Data 5
8 O/I DR.6 Data 6 Data 6 Data 6
9 O/I DR.7 Data 7 Data 7 Data 7
10 I SR.6 Ack# PeriphClk INTR#
11 I SR.7\ Busy PeriphAck Wait#
12 I SR.5 PaperEnd AckReverse# —²
13 I SR.4 Select Xflag —²
14 O/I CR.1\ Auto LF# HostAck DataStb#
15 I SR.3 Error# PeriphRequest# —²
16 O/I CR.2 Init# ReverseRequest# Reset#
17 O/I CR.3\ Select In# 1284Active AddrStb#

¹ Символом «\» отмечены инвертированные сигналы (1 в регистре соответствует низкому уровню линии).

² Определяется пользователем.

1.7. Конфигурирование LPT-портов

Управление параллельным портом разделяется на два этапа — предварительное конфигурирование (Setup) аппаратных средств порта и текущее (оперативное) переключение режимов работы прикладным или системным ПО. Оперативное переключение возможно только в пределах режимов, разрешенных при конфигурировании. Этим обеспечивается возможность согласования аппаратуры с ПО и блокирования ложных переключений, вызванных некорректными действиями программы.

Конфигурирование LPT-порта зависит от его исполнения. Порт, расположенный на плате расширения (мультикарте), устанавливаемой в слот ISA или ISA+VLB, конфигурируется джамперами на самой плате. Порт на системной плате конфигурируется через BIOS Setup.

Ниже перечислены параметры, подлежащие конфигурированию.

♦ Базовый адрес — 3BCh, 378h или 278h. При инициализации BIOS проверяет наличие портов по адресам именно в этом порядке и, соответственно, присваивает обнаруженным портам логические имена LPT1, LPT2, LPT3. Адрес 3BCh имеет адаптер порта, расположенный на плате MDA или HGC. Большинство портов по умолчанию конфигурируется на адрес 378h и может переключаться на 278h.

♦ Используемая линия запроса прерывания: для LPTIRQ7, для LPT2IRQ5. Традиционно прерывания от принтера не задействуются, и этот дефицитный ресурс можно сэкономить. Однако при использовании скоростных режимов ЕСР (или Fast Centronics) работа через прерывания может заметно повысить производительность и снизить загрузку процессора.

♦ Использование канала DMA для режимов ЕСР и Fast Centronics — разрешение и номер канала DMA.

♦ Режимы работы порта:

 • SPP — порт работает только в стандартном однонаправленном программно-управляемом режиме;

 • PS/2, он же Bi-Directional — отличается от SPP возможностью реверса канала (установкой CR.5=1);

 • Fast Centronics — аппаратное формирование протокола Centronics с использованием FIFO-буфера и, возможно, DMA;

 • EPP — в зависимости от использования регистров порт работает в режиме SPP или EPP;

 • ЕСР — по умолчанию включается в режим SPP или PS/2, записью в ECR может переводиться в любой режим ЕСР, но перевод в EPP записью в ECR кода 100 не гарантируется;

 • ЕСР+EPP — то же, что и ЕСР, но запись в ECR кода режима 100 переводит порт в EPP.

Выбор режима EPP, ЕСР или Fast Centronics сам по себе не приводит к повышению быстродействия обмена с подключенными ПУ, а только дает возможность драйверу и ПУ установить оптимальный режим в пределах их «разумения». Большинство современных драйверов и приложений пытаются использовать эффективные режимы, поэтому «подрезать им крылья» установкой простых режимов без веских на то оснований не стоит.

Принтеры и сканеры могут пожелать режима ЕСР. Windows (3.x, 9х и NT) имеет системные драйверы для этого режима. В среде DOS печать через ЕСР поддерживается только специальным загружаемым драйвером.

Сетевые адаптеры, внешние диски и CD-ROM, подключаемые к параллельному порту, могут использовать режим EPP. Для этого режима специальный драйвер пока еще не применяется; поддержка EPP включается в драйвер самого подключаемого устройства.

1.8. Неисправности и тестирование параллельных портов

Тестирование параллельных портов разумно начинать с проверки их наличия в системе. Список адресов установленных портов появляется в таблице, выводимой BIOS на экран перед загрузкой ОС. Список можно посмотреть и с помощью тестовых программ или прямо в BIOS Data Area с помощью отладчика.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, скорее всего, двум портам присвоен один и тот же адрес. При этом работоспособность ни одного из конфликтующих портов не гарантируется: они будут одновременно выводить сигналы, но при чтении регистра состояния конфликт на шине, скорее всего, приведет к искажению данных. Программное тестирование порта без диагностической заглушки (Loop Back) не покажет ошибок, поскольку при этом читаются данные выходных регистров, а они у всех конфликтующих (по отдельности исправных портов) совпадут. Именно такое тестирование производит BIOS при проверке на наличие портов. Разбираться с такой ситуацией следует, последовательно устанавливая порты и наблюдая за адресами, появляющимися в списке.

Если физически установлен только один порт, a BIOS его не обнаруживает, то либо порт отключен при конфигурировании, либо он вышел из строя (скорее всего из-за нарушений правил подключения). Если вам везет, неисправность устраняется «передергиванием» платы в слоте — там иногда возникают проблемы с контактами.

Наблюдаются и такие «чудеса» — при «теплой» перезагрузке DOS после Windows 95 порт не виден (и приложения не могут печатать из MS-DOS). Однако после повторной перезагрузки DOS порт оказывается на месте. С этим явлением легче смириться, чем бороться.

Тестирование портов с помощью диагностических программ позволяет проверить выходные регистры, а при использовании специальных заглушек — и входные линии. Поскольку количество выходных линий порта (12) и входных (5) различно, то полная проверка порта с помощью пассивной заглушки принципиально невозможна. Разные программы тестирования требуют применения разных заглушек (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема заглушки для тестирования LPT-порта: а — для CheckIt, б — для Norton Diagnostics

Большинство неприятностей при работе с LPT-портами доставляют разъемы и кабели. Для проверки порта, кабеля и принтера можно воспользоваться специальными тестами из популярных диагностических программ (CheckIt, PCCheck и т.п.). Можно попытаться просто вывести на принтер какой-либо символьный файл.

♦ Если вывод файла с точки зрения DOS проходит (копирование файла на устройство с именем LPTn или PRN совершается быстро и успешно), а принтер (исправный) не напечатал ни одного символа — скорее всего, это обрыв (не контакт в разъеме) цепи Strobe#.

♦ Если принтер находится в состоянии On Line, а появляется сообщение о его неготовности, причину следует искать в линии Busy.

♦ Если принтер, подключенный к порту, в стандартном режиме (SPP) печатает нормально, а при переходе в режим ЕСР начинаются сбои, следует проверить кабель — соответствует ли он требованиям IEEE 1284 (см. выше). Дешевые кабели с неперевитыми проводами нормально работают на скоростях 50-100 Кбайт/с, но при скорости 1–2 Мбайт/с, обеспечиваемой ЕСР, имеют полное право не работать, особенно при длине более 2 м.

♦ Если при установке драйвера PnP-принтера появилось сообщение о необходимости применения «двунаправленного кабеля», проверьте наличие связи контакта 17 разъема DB-25 с контактом 36 разъема Centronics. Хотя эта связь изначально предусматривалась, в ряде кабелей она отсутствует.

♦ Если принтер искажает информацию при печати, возможен обрыв (или замыкание) линий данных. В этом случае удобно воспользоваться файлом, содержащим последовательность кодов всех печатных символов. Если файл печатается с повтором некоторых символов или их групп, по периодичности повтора можно легко вычислить оборванный провод данных интерфейса. Этот же файл удобно использовать для проверки аппаратной русификации принтера.

Аппаратные прерывания от LPT-порта используются не всегда. Даже DOS-программа фоновой печати PRINT работает с портом по опросу состояния, а ее обслуживающий процесс запускается по прерыванию от таймера. Поэтому неисправности, связанные с цепью прерывания от порта, проявляются не часто. Однако по-настоящему многозадачные ОС (например, NetWare) стараются работать с портом по прерываниям. Протестировать линию прерывания можно, только подключив к порту ПУ или заглушку. Если к порту с неисправным каналом прерывания подключить адаптер локальной сети, то он, возможно, будет работать, но с очень низкой скоростью: на любой запрос ответ будет приходить с задержкой в десятки секунд — принятый из адаптера пакет будет приниматься не по прерыванию (сразу по приходу), а по внешнему тайм-ауту.

Глава 2 Последовательный интерфейс — СОМ-порт

Универсальный внешний последовательный интерфейс — СОМ-порт (Communications Port — коммуникационный порт) присутствует в PC начиная с первых моделей. Этот порт обеспечивает асинхронный[1] обмен по стандарту RS-232C. СОМ-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчиков (UART), совместимых с семейством i8250/16450/16550. Они занимают в пространстве ввода-вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут располагаться по стандартным базовым адресам 3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4). Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ4 (обычно используются для COM1 и COM3) и IRQ3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандарту RS-232C. СОМ-порты имеют внешние разъемы-вилки (male — «папа») DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера (см. п. 2.1). Характерной особенностью интерфейса является применение «не ТТЛ» сигналов — все внешние сигналы порта двуполярные. Гальваническая развязка отсутствует — схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Скорость передачи данных может достигать 115 200 бит/с.

Компьютер может иметь до четырех последовательных портов COM1-COM4 (для машин класса AT типично наличие двух портов) с поддержкой на уровне BIOS. Сервис BIOS Int 14h обеспечивает инициализацию порта, ввод и вывод символа (не используя прерываний) и опрос состояния. Через Int 14h скорость передачи программируется в диапазоне 110-9600 бит/с (меньше, чем реальные возможности порта). Для повышения производительности широко используется взаимодействие программ с портом на уровне регистров, для чего требуется совместимость аппаратных средств СОМ-порта с программной моделью i8250/16450/16550.

Название порта указывает на его основное назначение — подключение коммуникационного оборудования (например, модема) для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подключаться и периферийные устройств с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и другие. СОМ-порт широко используется для подключения мыши, а также организации непосредственной связи двух компьютеров. К СОМ-порту подключают и электронные ключи.

Практически все современные системные платы (еще начиная с PCI-плат для процессоров 486) имеют встроенные адаптеры двух СОМ-портов. Один из портов может использоваться и для беспроводной инфракрасной связи с периферийными устройствами (IrDA). Существуют карты ISA с парой СОМ-портов, где они чаще всего соседствуют с LPT-портом, а также с контроллерами дисковых интерфейсов (FDC+IDE). Если возникает потребность в большом количестве последовательных интерфейсов, то в ПК можно установить специальные адаптеры-мультиплексоры. Это весьма дорогие карты, они выпускаются обычно на 4, 8, 12 и даже 16 портов. Такое большое число разъемов на заднюю стенку ПК вывести проблематично, и у мультиплексоров обычно имеется внешний блок с разъемами (и электроникой), соединяемый с адаптером кабелем с многоконтактными разъемами. BIOS мультиплексоры не поддерживает.

«Классический» СОМ-порт позволял осуществлять обмен данными только программно-управляемым способом, при этом для пересылки каждого байта процессору приходится выполнять несколько инструкций. Современные порты имеют FIFO-буферы данных и позволяют выполнять обмен по каналу DMA, существенно разгружая центральный процессор, что особенно важно на больших скоростях обмена.

2.1. Интерфейс RS-232C

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. 2.1. Полная схема соединения по RS-232C

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. Функционально RS-232C эквивалентен стандарту МККТТ V.24/V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия сигналов.

Стандарт RS-232C описывает несимметричные передатчики и приемники — сигнал передается относительно общего провода — схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах — например, RS-422). 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.

ВНИМАНИЕ

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность невыровненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки DB-25P или более компактный вариант — DB-9P. Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25-штырьковых разъемах эти контакты не используются).

На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки DB-25S или DB-9S.

Рис. 2.3. Прием сигналов RS-232C

Это правило предполагает, что разъемы АКД могут подключаться к разъемам АПД непосредственно или через переходные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены «один в один». Переходные кабели могут являться и переходниками с 9 на 25-штырьковые разъемы (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Кабели подключения модемов

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. 2.5. Нуль-модемный кабель: а — минимальный, б — полный

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка — это почти 100 % того, что к другому устройству оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено.

В табл. 2.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных АПД). Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-E, разъем DB-9S описан стандартом EIA/TIA-574. У модемов (АКД) название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.


Таблица 2.1. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C

Обозначение цепи Контакт разъема № провода кабеля выносного разъёма PC Направление
СОМ-порт RS-232 V.24 Стык 2 DB-25Р DB-9Р 11 22 33 44 I/O
PG AA 101 1 5 (10) (10) (10) 1 -
SG AB 102 7 5 5 9 1 13 -
TD BA 103 2 3 3 5 3 3 O
RD BB 104 3 2 2 3 4 5 I
RTS CA 105 4 7 7 4 8 7 O
CTS CB 106 5 8 8 6 7 9 I
DSR CC 107 6 6 6 2 9 11 I
DTR CD 108/2 20 4 4 7 2 14 O
DCD CF 109 8 1 1 1 5 15 I
RI СЕ 125 22 9 9 8 6 18 I

Ленточный кабель 8-битных мультикарт.

Ленточный кабель 16-битных мультикарт и портов на системных платах.

Вариант ленточного кабеля портов на системных платах.

Широкий ленточный кабель к 25-контактному разъему.


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
RI Ring Indicator — вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова

Рис. 2.6. Последовательность управляющий 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.

Из рассмотрения этой последовательности становятся понятными соединения DTR-DSR и RTS-CTS в нуль-модемных кабелях.

2.2. Родственные интерфейсы и преобразователи уровней

В последовательном интерфейсе далеко не всегда используют двуполярные сигналы RS-232C — это неудобно, хотя бы из-за необходимости использования двуполярного питания приемопередатчиков. Сами микросхемы вышеописанных приемопередатчиков UART работают с сигналами логики ТТЛ или КМОП; такие же сигналы используются, например, и в сервисных портах винчестеров и других устройств. Многие устройства (в том числе карманные ПК и мобильные телефоны) имеют внешний последовательный интерфейс с уровнями низковольтной логики. Конечно, сигналы обычной логики не имеют столь высокой помехоустойчивости, как RS-232C, но не всегда это и требуется.

Для взаимного преобразования уровней интерфейса RS-232C и логики специально выпускаются буферные микросхемы приемников (с гистерезисом) и передатчиков двуполярного сигнала. При несоблюдении правил заземления и коммутации они обычно становятся первыми жертвами «пиротехнических» эффектов. Раньше их нередко устанавливали в «кроватки», что облегчало их замену. Цоколевка популярных микросхем формирователей сигналов RS-232C приведена на рис. 2.7. Часто буферные схемы входят прямо в состав интерфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии оборачивается крупными финансовыми потерями. Вывести из строя интерфейсные микросхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно: ток короткого замыкания передатчиков обычно не превышает 20 мА.

Рис. 2.7. Формирователи сигналов RS-232C: а — приемник 1489 (А — вход RS-232, С — управление гистерезисом (ТТЛ), Y — выход ТТЛ); б — передатчик 1488 (А, В — входы ТТЛ, Y — выход RS-232, VDD = +12 В, VEE = -12 В); в — таблица состояния выходов передатчика (*1 В — логическая единица)

В специальных кабелях-адаптерах часто применяют преобразователи уровней фирмы Maxim и Sypex; они удобны тем, что содержат и приемники, и передатчики. Из широкого ассортимента этих преобразователей легко подобрать подходящий по количеству приемников и передатчиков, а также по питанию (однополярному, двуполярному, низковольтному).

Когда требуется большая помехоустойчивость (дальность и скорость передачи), применяют иные электрические варианты последовательных интерфейсов: RS-422A (V.11, X.27), RS-423A (V.10, X.26), RS-485. На рис. 2.8 приведены схемы соединения приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V). Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423A позволяет в какой-то мере исправить ситуацию. Лучшие параметры имеют интерфейсы RS-422A и RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные приемопередатчики с отдельной (витой) парой проводов для каждой сигнальной цепи.

Рис. 2.8. Стандарты последовательных интерфейсов

Интерфейсы EIA-RS-422 (ITU-T V.11, 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 положительнее 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.


Таблица 2.3. Параметры интерфейсов RS-422 и RS-485

Параметр RS-422 RS-485
Порог срабатывания, |UA-UB|, В 0,2 0,2
Допустимое напряжение синфазной помехи, В¹ –6,8…+6,8 –6,8…+11,8
Допустимое напряжение на входах, В¹ –7…+7 –7…+12
Входное сопротивление приемника, кОм 4 12
Минимальное сопротивление нагрузки передатчика, Ом 100 60
Максимальное число узлов 1 передатчик +10 приемников 32 (передатчиков, приемников или их комбинаций)
Максимальная длина, м 1200 (100 кбит/с) 12 (10 Мбит/с) 1200 (100 кбит/с) 12 (10 Мбит/с)
Терминаторы, R=100 Ом На дальнем конце от передатчика На обоих концах
Ток короткого замыкания, мА <150 Ha шину GND <250 на шину с потенциалом -7…+12 В или между проводами А и В

¹ Напряжение измеряется относительно «схемной земли» узла.


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.

Рис. 2.9. Топология интерфейсов: а — RS-422, б — RS-485 четырехпроводный, в — RS-485 двухпроводный

Интерфейс RS-485 может быть в двух версиях: двухпроводной и четырехпроводной. Четырехпроводная версия (рис. 2.9, б) выделяет задающий узел (master), передатчик которого работает на приемники всех остальных. Передатчик задающего узла всегда активен — переход в третье состояние ему не нужен. Передатчики остальных ведомых (slave) узлов должны иметь тристабильные выходы, они объединяются на общей шине с приемником ведущего узла. В двухпроводной версии (рис. 2.9, в) все узлы равноправны.

В вырожденном случае — при двухточечном соединении — интерфейсы RS-485 и RS-422 эквивалентны, и третье состояние не используется.

Для определенности состояния покоя шины RS-485, когда нет активных передатчиков, на линию устанавливают активные терминаторы, «растягивающие» потенциалы проводов. В покое провод В должен иметь более положительный потенциал, чем А.

При многоточечном соединении необходимо организовать метод доступа к среде передачи. Чаще всего используют полинг (polling) — опрос готовности к передаче, выполняемый ведущим устройством, или передачу права доступа в соответствии с определенным (установленным) регламентом. Иногда используют и методы случайного доступа (аналогично Ethernet).

Дифференциальный вход интерфейсов защищает от действия помех, но при этом должно осуществляться соединение «схемных земель» устройств между собой и с шиной заземления. Для соединения устройств между собой используют третий провод интерфейса (можно и экран). Для того чтобы по третьему проводу не протекал большой ток, выравнивающий «земляные потенциалы», в его цепь включают резисторы (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Соединение «схемных земель» для интерфейсов RS-422 и RS-485

Интерфейс RS-422 часто используется для подключения периферийных устройств (например, принтеров). Интерфейс RS-485 популярен в качестве шин устройств промышленной автоматики.

Интерфейс «токовая петля» для представления сигнала использует не напряжение, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик.

Логической единице (состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю — отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии — приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса. Заметим, что интерфейс MIDI (см. п. 8.5.3) с «классической» токовой петлей несовместим.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров, но при невысоких скоростях (выше 19 200 бит/с не используют, а на километровых расстояниях допустима скорость до 9600 бит/с и ниже). Допустимое расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала последовательного интерфейса (4-проводная линия). В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, применяют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (программный протокол). При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал. Для безошибочного приема передатчики должны работать поочередно.

Токовая петля позволяет использовать выделенные физические линии без модемов, но на малых скоростях. Иногда по токовой петле подключают терминалы с интерфейсом RS-232C, если не хватает штатной длины интерфейса или требуется гальваническая развязка. Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю несложно — на рис. 2.11 приведена простейшая схема преобразователя применительно к подключению терминала. Для получения двуполярного сигнала, требуемого для входных сигналов СОМ-порта, применяется питание от интерфейса. Схема может быть усложнена для защиты оптронов от перегрузки и улучшения формы потенциальных сигналов. Допустимая скорость определяется и быстродействием применяемых оптронов (скорость 9600 бит/с достигается практически на любых оптронах).

Рис. 2.11. Преобразование интерфейса RS-232C в «токовую петлю»

2.3. Асинхронный режим передачи

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 передается 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).

2.4. Управление потоком данных

Для управления потоком данных (Flow Control) могут использоваться два варианта протокола — аппаратный и программный. Иногда управление потоком путают с квитированием. Квитирование (handshaking) подразумевает посылку уведомления о получении элемента, в то время как управление потоком предполагает посылку уведомления о возможности или невозможности последующего приема данных. Зачастую управление потоком основано на механизме квитирования.

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (hardware flow control) использует сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему (рис. 2.13). Передатчик «выпускает» очередной байт только при включенной линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует целостность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию передатчика на состояние приемника. Микросхемы асинхронных приемопередатчиков имеют не менее двух регистров в приемной части — сдвигающий, для приема очередной посылки, и хранящий, из которого считывается принятый байт. Это позволяет реализовать обмен по аппаратному протоколу без потери данных.

Рис. 2.13. Аппаратное управление потоком

Аппаратный протокол удобно использовать при подключении принтеров и плоттеров, если они его поддерживают. При непосредственном (без модемов) соединении двух компьютеров аппаратный протокол требует перекрестного соединения линий RTSCTS.

При непосредственном соединении у передающего терминала должно быть обеспечено состояние «включено» на линии CTS (соединением собственных линий RTS — CTS), в противном случае передатчик будет «молчать».

Применяемые в IBM PC приемопередатчики 8250/16450/16550 сигнал CTS аппаратно не отрабатывают, а только показывают его состояние в регистре MSR (см. п. 2.5). Реализация протокола RTS/CTS возлагается на драйвер BIOS Int 14h, и называть его «аппаратным» не совсем корректно. Если же программа, пользующаяся СОМ-портом, взаимодействует с UART на уровне регистров (а не через BIOS), то обработкой сигнала CTS для поддержки данного протокола она занимается сама. Ряд коммуникационных программ позволяет игнорировать сигнал CTS (если не используется модем), и для них не требуется соединение входа CTS с выходом даже своего сигнала RTS. Однако существуют и иные приемопередатчики (например, 8251), в которых сигнал CTS отрабатывается аппаратно. Для них, а также для «честных» программ, использование сигнала CTS на разъемах (а то и на кабелях) обязательно. Преимущество протокола RTS/CTS во времени реакции (по сравнению с программным методом XON/XOFF) остается лишь для буферированной (в режиме FIFO) передачи.

Программный протокол управления потоком XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает протокол следующим образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым оно не может их дальше принимать, оно по обратному последовательному каналу посылает байт-символ XOFF (13h). Противоположное устройство, приняв этот символ, приостанавливает передачу. Когда принимающее устройство снова становится готовым к приему данных, оно посылает символ XON (11h), приняв который противоположное устройство возобновляет передачу. Время реакции передатчика на изменение состояния приемника по сравнению с аппаратным протоколом увеличивается, по крайней мере, на время передачи символа (XON или XOFF) плюс время реакции программы передатчика на прием символа (рис. 2.14). Из этого следует, что данные без потерь могут приниматься только приемником, имеющим дополнительный буфер принимаемых данных и сигнализирующим о неготовности заблаговременно (имея в буфере свободное место).

Рис. 2.14. Программное управление потоком XON/XOFF

Преимущество программного протокола заключается в отсутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса — минимальный кабель для двустороннего обмена может иметь только 3 провода (см. рис. 2.5, а). Недостатком, помимо обязательного наличия буфера и большего времени реакции (снижающего общую производительность канала из-за ожидания сигнала XON), является сложность реализации полнодуплексного режима обмена. В этом случае из потока принимаемых данных должны выделяться (и обрабатываться) символы управления потоком, что ограничивает набор передаваемых символов.

Кроме этих двух распространенных стандартных протоколов, поддерживаемых и ПУ, и ОС, существуют и другие.

2.5. Микросхемы асинхронных приемопередатчиков

В СОМ-портах преобразование параллельного кода в последовательный для передачи и обратное преобразование при приеме данных выполняют специализированные микросхемы UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter — универсальный асинхронный приемопередатчик). Эти же микросхемы формируют и обрабатывают управляющие сигналы интерфейса. СОМ-порты IBM PC XT/AT базируются на микросхемах, совместимых на уровне регистров с UART i8250 — 8250/16450/16550А. Это семейство представляет собой усовершенствование начальной модели, направленное на повышение быстродействия, снижение потребляемой мощности и загрузки процессора при интенсивном обмене. Отметим, что:

♦ 8250 имеет ошибки (появление ложных прерываний), учтенные в XT BIOS;

♦ 8250А — ошибки исправлены, но в результате потеряна совместимость с BIOS; эта микросхема работает в некоторых моделях AT, но непригодна для скорости 9600 бит/с;

♦ 8250В — исправлены ошибки 8250 и 8250A, восстановлена ошибка в прерываниях — возвращена совместимость с XT BIOS; работает в AT под DOS (кроме скорости 9600 бит/с).

Микросхемы 8250x имеют невысокое быстродействие по обращениям со стороны системной шины. Они не допускают обращения к своим регистрам в смежных шинных циклах процессора — для корректной работы с ними требуется введение программных задержек между обращениями CPU. В компьютерах класса AT применяют микросхемы UART перечисленных ниже модификаций.

♦ 16450 — быстродействующая версия 8250 для AT. Ошибок 8250 и полной совместимости с XT BIOS не имеет.

♦ 16550 — развитие 16450. Может использовать канал DMA для обмена данными. Имеет FIFO-буфер, но некорректность его работы не позволяет им воспользоваться.

♦ 16550А — имеет работающие 16-байтные FIFO-буферы приема и передачи и возможность использования DMA. Именно этот тип UART должен применяться в AT при интенсивных обменах на скоростях 9600 бит/с и выше. Совместимость с этой микросхемой обеспечивает большинство микросхем контроллеров портов ввода-вывода, входящих в современные чипсеты.

Микросхемы UART 16550А с программной точки зрения представляют собой набор регистров, доступ к которым определяется адресом (смещением адреса регистра относительно базового адреса порта) и значением бита DLAB (бита 7 регистра LCR). В адресном пространстве микросхема занимает 8 смежных адресов. Список регистров UART 16550A и способы доступа к ним приведены в табл. 2.4. Микросхемы 8250 отличаются отсутствием регистра FCR и всех возможностей FIFO и DMA.


Таблица 2.4. Регистры UART 16550A

Доступ Регистр Чтение/запись R/W
Смещение DLAB Имя Название
0h 0 THR Transmit Holding Register WO
0h 0 RBR Receiver Buffer Register RO
0h 1 DLL Divisor Latch LSB R/W
1h 1 DIM Divisor Latch MSB R/W
1h 0 IER Interrupt Enable Register R/W
2h x IIR Interrupt Identification Register RO
2h x FOR FIFO Control Register WO
3h x LCR Line Control Register R/W
4h x MCR Modem Control Register R/W
5h x LSR Line Status Register R/W¹
6h x MSR Modem Status Register R/W¹
7h x SCR Scratch Pad Register R/W

¹ Некоторые биты допускают только чтение. Запись в регистр может привести к сбою протокола.


ТHRпромежуточный регистр данных передатчика (только для записи). Данные, записанные в регистр, будут пересланы в выходной сдвигающий регистр (когда он будет свободен), из которого поступят на выход при наличии разрешающего сигнала CTS. Бит 0 передается (и принимается) первым. При длине посылки менее 8 бит старшие биты игнорируются.

RBRбуферный регистр принимаемых данных (только для чтения). Данные, принятые входным сдвигающим регистром, помещаются в регистр RBR, откуда они могут быть считаны процессором. Если к моменту окончания приема очередного символа предыдущий не был считан из регистра, фиксируется ошибка переполнения. При длине посылки менее 8 бит старшие биты в регистре имеют нулевое значение.

DLLрегистр младшего байта делителя частоты.

DLMрегистр старшего байта делителя частоты. Делитель определяется по формуле D=115200/V, где V — скорость передачи, бит/с. Входная частота синхронизации 1,8432 МГц делится на заданный коэффициент, после чего получается 16-кратная частота передачи данных.

IERрегистр разрешения прерываний. Единичное значение бита разрешает прерывание от соответствующего источника.

Назначение бит регистра IER:

♦ биты [7:4]=0 — не используются;

♦ бит 3 — Mod_IE — по изменению состояния модема (любой из линий CTS, DSR, RI, DCD);

♦ бит 2 — RxL_IЕ — по обрыву/ошибке линии;

♦ бит 1 — TxD_IE — по завершении передачи;

♦ бит 0 — RxD_IЕ — по приему символа (в режиме FIFO — прерывание по тайм-ауту).

IIRрегистр идентификации прерываний и признака режима FIFO (только для чтения). Для упрощения программного анализа UART выстраивает внутренние запросы прерывания по четырехуровневой системе приоритетов. Порядок приоритетов (по убыванию): состояние линии, прием символа, освобождение регистра передатчика, состояние модема. При возникновении условий прерывания UART указывает на источник с высшим приоритетом до тех пор, пока он не будет сброшен соответствующей операцией. Только после этого будет выставлен запрос с указанием следующего источника. Ниже описано назначение бит регистра IIR.

♦ Биты [7:6] — признак режима FIFO:

 • 11 — режим FIFO 16550A;

 • 10 — режим FIFO 16550;

 • 00 — обычный.

♦ Биты [5:4] — не используются.

♦ Бит 3 — прерывание по тайм-ауту приема в режиме FIFO (в буфере есть символы для считывания).

♦ Биты [2:1] — причина прерывания с наивысшим приоритетом (в обычном, не FIFO-режиме):

 • 11 — ошибка/обрыв линии, сброс выполняется чтением регистра состояния линии;

 • 10 — принят символ, сброс выполняется чтением данных;

 • 01 — передан символ (регистр THR пуст), сброс выполняется записью данных;

 • 00 — изменение состояния модема; сброс выполняется чтением регистра состояния модема.

♦ Бит 0 — признак необслуженного запроса прерывания (1 — нет запроса, 0 — есть запрос).

В режиме FIFO причину прерывания идентифицируют биты [3:1].

♦ 011 — ошибка/обрыв линии. Сброс выполняется чтением регистра состояния линии.

♦ 010 — принят символ. Сброс выполняется чтением регистра данных приемника.

♦ 110 — индикатор тайм-аута (за 4-кратный интервал времени символа не передано и не принято ни одного символа, хотя в буфере имеется, по крайней мере, один). Сброс выполняется чтением регистра данных приемника.

♦ 001 — регистр THR пуст. Сброс выполняется записью данных.

♦ 000 — изменение состояния модема (CIS, DSR, RI или DCD). Сброс выполняется чтением регистра MSR.

FCRрегистр управления FIFO (только для записи). Ниже описано назначение бит регистра FCR:

♦ Биты [7:6] — ITL (Interrupt Trigger Level) — уровень заполнения FIFO-буфера, при котором вырабатывается прерывание:

 • 00 — 1 байт (по умолчанию);

 • 01 — 4 байта;

 • 10 — 8 байт;

 • 11–14 байт.

♦ Биты [5:4] зарезервированы.

♦ Бит 3 — разрешение операций DMA.

♦ Бит 2 — RESETTF (Reset Transmitter FIFO) — сброс счетчика FIFO-передатчика (записью единицы; сдвигающий регистр не сбрасывается).

♦ Бит 1 — RESETRF (Reset Receiver FIFO) — сброс счетчика FIFO-приемника (записью единицы; сдвигающий регистр не сбрасывается).

♦ Бит 0 — TRFIFOE (Transmit And Receive FIFO Enable) — разрешение (единицей) режима FIFO для передатчика и приемника. При смене режима FIFO-буферы автоматически очищаются.

LCRрегистр управления линией (настройки параметров канала). Ниже описано назначение бит регистра LCR.

♦ Бит 7 — DLAB (Divisor Latch Access Bit) — управление доступом к делителю частоты.

♦ Бит 6 — BRCON (Break Control) — формирование обрыва линии (посылка нулей) при BRCON=1.

♦ Бит 5 — STICPAR (Sticky Parity) — принудительное формирование бита паритета:

 • 0 — контрольный бит генерируется в соответствии с паритетом выводимого символа;

 • 1 — постоянное значение контрольного бита: при EVENPAR=1 — нулевое, при EVENPAR=0 — единичное.

♦ Бит 4 — EVENPAR (Even Parity Select) — выбор типа контроля: 0 — нечетность, 1 — четность.

♦ Бит 3 — PAREN (Parity Enable) — разрешение контрольного бита:

 • 1 — контрольный бит (паритет или постоянный) разрешен;

 • 0 — контрольный бит запрещен.

♦ Бит 2 — STOPВ (Stop Bits) — количество стоп-бит:

 • 0–1 стоп-бит;

 • 1–2 стоп-бита (для 5-битного кода стоп-бит будет иметь длину 1,5 бит).

♦ Биты [1:0] — SERIALDB (Serial Data Bits) — количество бит данных:

 • 00 — 5 бит;

 • 01 — 6 бит;

 • 10 — 7 бит;

 • 11 — 8 бит.

MCRрегистр управления модемом. Ниже описано назначение бит регистра MCR.

♦ Биты [7:5]=0 — зарезервированы.

♦ Бит 4 — LME (Loopback Mode Enable) — разрешение режима диагностики:

 • 0 — нормальный режим;

 • 1 — режим диагностики (см. ниже).

♦ Бит 3 — IE (Interrupt Enable) — разрешение прерываний с помощью внешнего выхода OUT2; в режиме диагностики поступает на вход MSR.7:

 • 0 — прерывания запрещены;

 • 1 — прерывания разрешены.

♦ Бит 2 — OUT1C (OUT1 Bit Control) — управление выходным сигналом 1 (не используется); в режиме диагностики поступает на вход MSR.6.

♦ Бит 1 — RTSC (Request To Send Control) — управление выходом RTS; в режиме диагностики поступает на вход MSR.4:

 • 0 — активен (-V);

 • 1 — пассивен (+V).

♦ Бит 0 — DTRC (Data Terminal Ready Control) — управление выходом DTR; в режиме диагностики поступает на вход MSR.5:

 • 0 — активен (-V);

 • 1 — пассивен (+V).

LSRрегистр состояния линии (точнее, состояния приемопередатчика). Ниже описано назначение бит регистра LSR.

♦ Бит 7 — FIFOE (FIFO Error Status) — ошибка принятых данных в режиме FIFO (буфер содержит хотя бы один символ, принятый с ошибкой формата, паритета или обрывом). В не FIFO-режиме всегда 0.

♦ Бит 6 — TEMPT (Transmitter Empty Status) — регистр передатчика пуст (нет данных для передачи ни в сдвиговом регистре, ни в буферных регистрах THR или FIFO).

♦ Бит 5 — THRE (Transmitter Holding Register Empty) — регистр передатчика готов принять байт для передачи. В режиме FIFO указывает на отсутствие символов в FIFO-буфере передачи. Может являться источником прерывания.

♦ Бит 4 — BD (Break Detected) — индикатор обрыва линии (вход приемника находится в состоянии 0 не менее чем время посылки символа).

♦ Бит 3 — FE (Framing Error) — ошибка кадра (неверный стоп-бит).

♦ Бит 2 — РЕ (Parity Error) — ошибка контрольного бита (паритета или фиксированного).

♦ Бит 1 — ОЕ (Overrun Error) — переполнение (потеря символа). Если прием очередного символа начинается до того, как предыдущий выгружен из сдвигающего регистра в буферный регистр или в регистр FIFO, прежний символ в сдвигающем регистре теряется.

♦ Бит 0 — DR (Receiver Data Ready) — принятые данные готовы (в DHR или FIFO- буфере). Сброс — чтением приемника.

Индикаторы ошибок — биты [4:1] — сбрасываются после чтения регистра LSR. В режиме FIFO признаки ошибок хранятся в FIFO-буфере вместе с каждым символом. В регистре они устанавливаются (и вызывают прерывание) в тот момент, когда символ, принятый с ошибкой, находится на вершине FIFO (первый в очереди на считывание). В случае обрыва линии в FIFO заносится только один «обрывной» символ, и UART ждет восстановления и последующего старт-бита.

MSRрегистр состояния модема. Ниже описано назначение бит регистра MSR:

♦ Бит 7 — DCD (Data Carrier Detect) — состояние линии DCD:

 • 0 — активна (-V);

 • 1 — пассивна (+V).

♦ Бит 6 — RI (Ring Indicator) — состояние линии RI:

 • 0 — активна (-V);

 • 1 — пассивна (+V).

♦ Бит 5 — DSR (Data Set Ready) — состояние линии DSR:

 • 0 — активна (-V);

 • 1 — пассивна (+V).

♦ Бит 4 — CTS (Clear To Send) — состояние линии CTS:

 • 0 — активна (-V);

 • 1 — пассивна (+V).

♦ Бит 3 — DDCD (Delta Data Carrier Detect) — изменение состояния DCD.

♦ Бит 2 — ТЕRI (Trailing Edge Of Ring Indicator) — спад огибающей RI (окончание звонка).

♦ Бит 1 — DDSR (Delta Data Set Ready) — изменение состояния DSR.

♦ Бит 0 — DCTS (Delta Clear To Send) — изменение состояния CTS.

Признаки изменения (биты [3:0]) сбрасываются по чтению регистра.

SCRрабочий регистр (8 бит), на работу UART не влияет, предназначен для временного хранения данных (в 8250 отсутствует).

В диагностическом режиме (при LME=1) внутри UART организуется внутренняя «заглушка»:

♦ выход передатчика переводится в состояние логической единицы;

♦ вход приемника отключается;

♦ выход сдвигающего регистра передатчика логически соединяется со входом приемника;

♦ входы DSR, CIS, RI и DCD отключаются от входных линий и внутренне управляются битами DTRC, RISC, OUT1C, IE;

♦ выходы управления модемом переводятся в пассивное состояние (логический ноль).

Переданные данные в последовательном виде немедленно принимаются, что позволяет проверять внутренний канал данных порта (включая сдвигающие регистры) и отработку прерываний, а также определять скорость работы UART.

2.6. Системная поддержка СОМ-портов

СОМ-порты поддерживаются сервисом BIOS Int 14h, который обеспечивает следующие функции:

♦ инициализация (установка скорости обмена и формата посылок; запрет источников прерываний) — на сигналы DTR и RTS влияния не оказывает (после аппаратного сброса они пассивны);

♦ вывод символа — активируются сигналы DTR и RTS, и после освобождения регистра THR в него помещается выводимый символ;

♦ ввод символа — активируется только сигнал DTR (RTS переходит в пассивное состояние), и ожидается готовность принятых данных;

♦ опрос состояния модема и линии (чтение регистров MSR и LSR).

Аппаратные прерывания не используются, ожидание готовности ввода и вывода ограничивается по тайм-ауту. Готовность можно быстро проверить опросом состояния.

В процессе начального тестирования POST BIOS проверяет наличие последовательных портов (регистров UART 8250 или совместимых) по стандартным адресам и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS Data Area 0:0400, 0402, 0404, 0406. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами СOМ1-COM4. Нулевое значение адреса является признаком отсутствия порта с данным номером. В ячейки 0:047C, 047D, 047E, 047F заносятся константы, задающие тайм-ауты для портов.

Обнаруженные порты инициализируются на скорость обмена 2400 бит/с, 7 бит данных с контролем на четность (even), 1 стоп-бит. Управляющие сигналы интерфейса DTR и RTS переводятся в исходное состояние («выключено» — положительное напряжение).

2.7. Конфигурирование СОМ-портов

Компьютер может иметь до четырех последовательных портов COM1-COM4; для машин класса AT типично наличие двух портов. Управление последовательным портом разделяется на два этапа — предварительное конфигурирование (Setup) аппаратных средств порта и текущее (оперативное) переключение режимов работы прикладным или системным ПО. Конфигурирование СОМ-порта зависит от его исполнения. Порт на плате расширения конфигурируется джамперами на самой плате. Порт на системной плате конфигурируется через BIOS Setup.

Конфигурированию подлежат перечисленные ниже параметры:

♦ Базовый адрес, который для портов COM1-СОМ4 обычно имеет значение 3F8h, 2F8h, 3E8h и 2E8h. При инициализации BIOS проверяет наличие портов по адресам именно в этом порядке и присваивает обнаруженным портам логические имена COM1, COM2, COM3 и COM4. Для портов COM3 и COM4 возможны альтернативные адреса 3E0h, 338h и 2E0h, 238h соответственно. Для PS/2 стандартными для портов COM3-СОМ8 являются адреса 3220h, 3228h, 4220h, 4228h, 5220h и 5228h соответственно.

♦ Используемая линия запроса прерывания: для СОМ 1 и COM3 обычно используется IRQ4 или IRQ11, для COM2 и COM4 — IRQ3 или IRQ10. В принципе номер прерывания можно назначать в произвольных сочетаниях с базовым адресом (номером порта), но некоторые программы и драйверы (например, драйверы последовательной мыши) настроены на стандартные сочетания. Каждому порту, нуждающемуся в аппаратном прерывании, назначают отдельную линию, не совпадающую с линиями запроса прерываний других устройств. Прерывания необходимы для портов, к которым подключаются устройства ввода, UPS или модемы. При подключении принтера или плоттера прерываниями пользуются только многозадачные ОС (не всегда), и этот дефицитный ресурс PC можно сэкономить. Также прерывания обычно не задействуют при связи двух компьютеров нуль-модемным кабелем. Возможность разделяемого использования одной линии запроса несколькими портами (или ее разделения с другими устройствами) зависит от реализации аппаратного подключения и ПО. При использовании портов, установленных на шину ISA, разделяемые прерывания обычно не работают.

♦ Канал DMA (для микросхем UART 16450/16550, расположенных на системной плате) — разрешение использования и номер канала DMA. Режим DMA при работе с СОМ-портами используют редко.

2.8. Использование СОМ-портов

СОМ-порт широко применяется для подключения различных периферийных и коммуникационных устройств, связи с различным технологическим оборудованием, объектами управления и наблюдения, программаторами, внутрисхемными эмуляторами и прочими устройствами, используя протокол RS-232C.

СОМ-порты чаще всего применяют для подключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт используется в режиме последовательного ввода. Мышь с последовательным интерфейсом — Serial Mouse — может подключаться к любому исправному порту. Для согласования разъемов порта и мыши возможно применение переходника DB-9S-DB-25P или DB-25S-DB-9P. Для мыши требуется прерывание, для порта COM1 — IRQ4, для COM2 — IRQ3. То, что для использования мыши порт COM1 должен использовать прерывание IRQ4, является особенностью ее драйвера, но для пользователя важен сам факт ограничения. Каждое событие — перемещение мыши или нажатие-отпускание кнопки — кодируется двоичной посылкой по интерфейсу RS-232C. Применяется асинхронная передача; двуполярное питание обеспечивается от управляющих линий интерфейса.

Для подключения внешних модемов используется полный (9-проводный) кабель АПД — АКД, схема которого приведена на рис. 2.4. Этот же кабель используется для согласования разъемов (по количеству контактов); возможно применение переходников 9–25, предназначенных для мыши. Для работы коммуникационного ПО обычно требуются прерывания, но здесь есть свобода выбора номера (адреса) порта и линии прерывания. Если предполагается работа на скоростях 9600 бит/с и выше, то СОМ-порт должен быть реализован на микросхеме UART 16550А или совместимой. Возможности работы с использованием FIFO-буферов и обмена по каналам DMA зависят от коммуникационного ПО.

Для связи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное соединение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем (см. рис. 2.5). Программы типа Norton Commander или Interlnk MS-DOS позволяют обмениваться файлами со скоростью до 115,2 Кбит/с без применения аппаратных прерываний. Это же соединение может использоваться и сетевым пакетом Lantastic, предоставляющим более развитый сервис, и средствами ОС Windows.

СОМ-порт позволяет выполнять подключение электронных ключей (Security Devices), предназначенных для защиты от нелицензированного использования ПО. Эти устройства могут быть как «прозрачными» (обеспечивающими возможность подключения периферии через тот же порт), так и полностью занимающими порт.

СОМ-порт при наличии соответствующей программной поддержки позволяет превратить PC в терминал, эмулируя систему команд распространенных специализированных терминалов (VT-52, VT-100 и т.д.). Простейший терминал получается, если замкнуть друг на друга функции BIOS обслуживания СОМ-порта (Int 14h), телетайпного вывода (Int 10h) и клавиатурного ввода (Int 16h). Однако такой терминал будет работать лишь на малых скоростях обмена (если, конечно, его делать не на Pentium), поскольку функции BIOS хоть и универсальны, но не слишком быстры.

СОМ-порт может использоваться и как двунаправленный интерфейс, у которого имеется три программно-управляемых выходных линии (TD, DTR, RTS) и четыре программно-читаемых входных линии (CIS, DSR, DCD, RI) с двуполярными сигналами. Их можно использовать, например, для программной реализации синхронных последовательных интерфейсов (см. п. 11.5) и других целей. Во времена АТ-286 была известна схема однобитного широтно-импульсного преобразователя, позволяющего записывать звуковой сигнал на диск PC, используя входную линию СОМ-порта. Воспроизведение этой записи через обычный динамик PC позволяло передать речь.

2.9. СОМ-порт и PnP

Современные ПУ, подключаемые к СОМ-порту, могут поддерживать спецификацию PnP. Основная задача ОС заключается в идентификации подключенного устройства, для чего разработан несложный протокол, реализуемый на любых СОМ-портах чисто программным способом. Этот протокол иллюстрирует рис. 2.15.

Рис. 2.15. Запрос идентификатора устройства PnP

1. Порт инициализируется с состоянием линий DTR=ON, RTS=OFF, TXD=Mark — состояние покоя (Idle).

2. Некоторое время (0,2 с) ожидается появление сигнала DSR, которое указало бы на наличие устройства, подключенного к порту. В простейшем случае устройство имеет на разъеме перемычку DTR-DSR, обеспечивающую указанный ответ. Если устройство обнаружено, выполняются манипуляции управляющими сигналами DTR и RTS для получения информации от устройства. Если ответ не получен, ОС, поддерживающая динамическое реконфигурирование, периодически опрашивает состояние порта для обнаружения новых устройств.

3. Порт программируется на режим 1200 бит/с, 7 бит данных, без паритета, 1 стоп-бит, и на 0,2 с снимается сигнал DTR. После этого устанавливается DTR=1, а еще через 0,2 с устанавливается и RTS=1.

4. В течение 0,2 с ожидается приход первого символа от устройства. По приходу символа начинается прием идентификатора (см. ниже). Если за это время символ не пришел, выполняется вторая попытка опроса (см. п. 5), несколько отличающаяся от первой.

5. На 0,2 с снимаются оба сигнала (DTR=0 и RTS=0), после чего они оба устанавливаются (DTR=1 и RTS=1).

6. В течение 0,2 с ожидается приход первого символа от устройства, по приходу символа начинается прием идентификатора (см. ниже). Если за это время символ не пришел, то в зависимости от состояния сигнала DSR переходят к проверке отключения Verify Disconnect (при DSR=0) или в дежурное состояние Connect Idle (при DSR=1).

7. В дежурном состоянии Connect Idle устанавливается DTR=1, RTS=0, порт программируется на режим 300 бит/с, 7 бит данных, без паритета, 1 стоп-бит. Если в этом состоянии обнаружится DSR=0, ОС следует уведомить об отключении устройства.

Посимвольный прием идентификатора устройства имеет ограничения по тайм- ауту в 0,2 с на символ, а также общее ограничение в 2,2 с, позволяющее принять строку длиной до 256 символов. Строка идентификатора PnP должна иметь маркеры начала (28h или 08h) и конца (29h или 09h), между которыми располагается тело идентификатора в стандартизованном формате. Перед маркером начала может находиться до 16 символов, не относящихся к идентификатору PnP. Если за первые 0,2 с ожидания символа (шаг 4 или 6) маркер начала не пришел, или же сработал тайм-аут, а маркер конца не получен, или же какой-либо символ принят с ошибкой, происходит переход в состояние Connect Idle. Если получена корректная строка идентификатора, она передается ОС.

Для проверки отключения (Verify Disconnect) устанавливается DTR=1, RTS=0 и через 5 с проверяется состояние сигнала DSR. При DSR=1 происходит переход в состояние Connect Idle (см. п. 7), при DSR=0 происходит переход в состояние Disconnect Idle, в котором система может периодически опрашивать сигнал DSR для обнаружения подключения устройства.

Описанный механизм разрабатывался компанией Microsoft с учетом совместимости с устройствами, не относящимися к устройствам PnP, — он обеспечивает невозможность их вывода из строя и устойчивость системы к сообщениям, не являющимся PnP-идентификаторами. Например, обычная мышь Microsoft Mouse (не PnP) по включении питания от интерфейса ответит ASCII-символом «M» (трехкнопочная — строкой «M3»).

2.10. Неисправности и тестирование СОМ-портов

Неполадки с СОМ-портами случаются (выявляются) при установке новых портов или неудачном подключении внешних устройств.

2.10.1. Проверка конфигурирования

Тестирование последовательных портов (как и параллельных) начинают с проверки их опознавания системой. Список адресов установленных портов обычно появляется в таблице, выводимой BIOS перед загрузкой ОС. Список можно посмотреть с помощью тестовых программ или прямо в BIOS Data AREA с помощью отладчика.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, значит, двум портам присвоен один адрес или установлен нестандартный адрес какого-либо порта. Проблемы могут возникать с адресами портов COM3 и COM4: не все версии BIOS будут искать порты по альтернативным адресам 3E0h, 338h, 2E0h и 238h; иногда не производится поиск по адресам 3E8h и 2E8h. Нумерация найденных портов, отображаемая в заставке, может вводить в заблуждение: если установлены два порта с адресами 3F8h и 3E8h, в заставке они могут называться COM1 и COM2, и по этим именам на них можно ссылаться. Однако те же порты в заставке могут называться COM1 и COM3 (поскольку 3E8h является штатным адресом для COM3), но попытка сослаться на порт COM3 будет неудачной, поскольку в данном случае адрес 3E8h будет находиться в ячейке 0:402h BIOS Data Area, соответствующей порту COM2, а в ячейке порта COM3 (0:404h) будет нуль — признак отсутствия такового порта. «Объяснить» системе, где какой порт, можно вручную с помощью любого отладчика, занеся правильные значения базовых адресов в ячейки BIOS Data Area (это придется делать каждый раз после перезагрузки ОС перед использованием «потерянного» порта). Существуют тестовые утилиты, позволяющие находить порты (например, Port Finder).

Если двум портам назначен один и тот же адрес; тестовая программа обнаружит ошибки порта только с помощью внешней заглушки (External LoopBack). Программное тестирование порта без заглушки не покажет ошибок, поскольку при этом включается диагностический режим (см. описание UART) и конфликтующие (по отдельности исправные) порты будут работать параллельно, обеспечивая совпадение считываемой информации. В «реальной жизни» нормальная работа конфликтующих портов невозможна. Разбираться с конфликтом адресов удобно, последовательно устанавливая порты и наблюдая за адресами, появляющимися в списке.

Если физически установлен только один порт и его не обнаруживает BIOS, причины те же, что с LPT-портом: либо он отключен при конфигурировании, либо вышел из строя. Неисправность может устраниться при вынимании/вставке платы адаптера в слот системной шины.

При работе с С ОМ-портом задействуются соответствующие аппаратные прерывания — их используют при подключении модема, мыши и других устройств ввода. Неработоспособность этих устройств может быть вызвана некорректной настройкой запроса прерывания. Здесь возможны как конфликты с другими устройствами, так и несоответствие номера прерывания адресу порта.

2.10.2. Функциональное тестирование

В первом приближении СОМ-порт можно проверить диагностической программой (CheckIt) без использования заглушек. Этот режим тестирования проверяет микросхему UART (внутренний диагностический режим) и вырабатывание прерываний, но не входные и выходные буферные микросхемы, которые являются более частыми источниками неприятностей. Если тест не проходит, причину следует искать или в конфликте адресов/прерываний, или в самой микросхеме UART.

Для более достоверного тестирования рекомендуется использовать внешнюю заглушку, подключаемую к разъему СОМ-порта (рис. 2.16). В отличие от LPT-порта у СОМ-порта количество входных сигналов превышает количество выходных, что позволяет выполнить полную проверку всех цепей. Заглушка соединяет выход приемника с входом передатчика. Обязательная для всех схем заглушек перемычка RTS-CTS позволяет работать передатчику — без нее символы не смогут передаваться. Выходной сигнал DTR обычно используют для проверки входных линий DSR, DCD и RI.

Рис. 2.16. Заглушка для проверки СОМ — портов (LoopBack для CheckIt и Norton Diagnostics)

Если тест с внешней заглушкой не проходит, причину следует искать во внешних буферах, их питании или в ленточных кабелях, служащих для подключения внешних разъемов. Здесь может помочь осциллограф или вольтметр. Последовательность проверки может быть следующей:

1. Проверить наличие двуполярного питания выходных схем передатчиков (этот шаг логически первый, но поскольку он технически самый сложный, его можно отложить на крайний случай, когда появится желание заменить буферные микросхемы).

2. Проверить напряжение на выходах TD, RTS и DTR: после аппаратного сброса на выходе TD должен быть отрицательный потенциал около -12 В (по край ней мере, ниже -5 В), а на выходах RTS и DTR — такой же положительный. Если этих потенциалов нет, возможна ошибка подключения разъема к плате через ленточный кабель. Распространенные варианты:

 • ленточный кабель не подключен;

 • ленточный кабель подключен неправильно (разъём перевернут или встав лен со смещением);

 • раскладка ленточного кабеля не соответствует разъему платы.

Первые два варианта проверяются внимательным осмотром, третий же может потребовать некоторых усилий. В табл. 2.1 приведены три варианта раскладки 10-проводного ленточного кабеля для разъема СОМ-порта, известных автору; для СОМ-портов на системных платах возможно существование и других. Теоретически ленточный кабель должен поставляться в соответствии с разъемом.

Если дело в ошибочной раскладке, то эти три выходных сигнала удастся обнаружить на других контактах разъемов (на входных контактах потенциал совсем небольшой). Если эти сигналы обнаружить не удалось, очевидно, вышли из строя буферные формирователи.

3. Соединив контакты линий RTS и CTS (или установив заглушку), следует по пытаться вывести небольшой файл на СОМ-порт (например, командой COPY С:\AUTOEXEC.ВАТ COM1:). С исправным портом эта команда успешно выполнится за несколько секунд с сообщением об успешном копировании. При этом потенциалы на выходах RTS и DTR должны измениться на отрицательные, а на выходе TD должна появиться пачка двуполярных импульсов с амплитудой более 5 В. Если потенциалы RTS и DTR не изменились, ошибка в буферных формирователях. Если на выходе RTS (и входе CTS) появился отрицательный потенциал, а команда COPY завершается с ошибкой, скорее всего, вышел из строя приемник линии CTS (или опять-таки ошибка в ленточном кабеле). Если команда COPY успешно проходит, а изменения на выходе TD не обнаруживаются (их можно увидеть стрелочным вольтметром, но оценить амплитуду импульсов не удастся), виноват буферный передатчик сигнала TD.

Замена микросхем приемников и передатчиков существенно облегчается, если они установлены в «кроватки».

Перед заменой следует с помощью осциллографа или вольтметра удостовериться в неисправности конкретной микросхемы. Если буферные элементы включены в состав интерфейсной БИС (что теперь весьма распространено), то такой порт ремонту не подлежит (по крайней мере, в обычных условиях). Неисправный СОМ-порт, установленный на системной плате, можно попытаться отключить в BIOS SETUP, но порт мог сгореть и вместе со схемой своего отключения — тогда он останется «живым мертвецом» в карте портов ввода-вывода и прерываний. Иногда он полностью выводит из строя системную плату.

Источниками ошибок могут являться разъемы и кабели. В разъемах встречаются плохие контакты, а кабели, кроме возможных обрывов, могут иметь плохие частотные характеристики. Частотные свойства кабелей обычно сказываются при большой длине (десятки метров) на высоких скоростях обмена (56 или 115 Кбит/с). При необходимости использования длинных кабелей на высоких скоростях сигнальные провода данных должны быть перевиты с отдельными проводами «схемной земли».

В ряде отечественных PC-совместимых (почти) компьютеров для последовательного интерфейса применялась микросхема КР580ВВ51 — аналог 18251. Однако эта микросхема является универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком (УСАПП или USART — Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Совместимости с PC на уровне регистров СОМ-порта такие компьютеры не имеют. Хорошо, если у соответствующих компьютеров имеется «честный» драйвер BIOS Int 14h, а не заглушка, возвращающая состояние модема «всегда готов» и ничего не делающая.

2.10.3. Питание от интерфейса, или причины неработоспособности мыши

При подключении к СОМ-порту устройств с небольшим энергопотреблением возникает соблазн получить питание от выходных линий интерфейса. Если линии управления DTR и RTS не используются по прямому назначению, их можно задействовать как питающие с напряжением около 12 В. Ток короткого замыкания на «схемную землю» ограничен буферной микросхемой передатчика на уровне 20 мА. При инициализации порта эти линии переходят в состояние «выключено», то есть вырабатывают положительное напряжение. Линия TD в покое находится в состоянии логической единицы, так что на выходе вырабатывается отрицательное напряжение. Потенциалами линий можно управлять через регистры СОМ-порта (выход TD вырабатывает положительное напряжение, если установить бит BRCON). Питание можно получать и с сигнальных линий через выпрямительные диоды с использованием накопительных конденсаторов. При этом, конечно, следует учитывать, сколько времени выходной сигнал находится в нужном состоянии (чтобы накопленной энергии хватало).

Двуполярным питанием от линий интерфейса (+V от DTR и RTS, -V от TD) пользуются все манипуляторы, подключаемые к СОМ-портам. Зная это, в случае неработоспособности мыши с данным портом следует проверить напряжения на соответствующих контактах разъема. Бывает, что с конкретным портом не работает только конкретная мышь (модель или экземпляр), хотя другие мыши с этим портом и эти же мыши с другими портами работают нормально. Здесь дело может быть в уровнях напряжений. Стандарт требует от порта выходного напряжения не менее 5 В (абсолютного значения), и если данный порт обеспечивает только этот минимум, некоторым мышам не хватит мощности для питания светодиодов (главных потребителей энергии).

Порт получает двуполярное питание через системную плату от блока питания компьютера. Отсутствие на выходе блока питания напряжения +12 В обычно обнаружится по неработоспособности дисков. Отсутствие напряжения -12 В «заметят» только устройства, подключенные к СОМ-портам. Блок питания теоретически контролирует наличие этих напряжений на своем выходе (сообщая о неполадках сигналом Power Good, вызывающим аппаратный сброс). Встречаются упрощенные схемы блоков питания, у которых контролируются не все напряжения. Кроме того, возможны плохие контакты в разъеме подключения питания к системной плате.

Глава 3 Беспроводные интерфейсы

Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют освободить устройства от связывающих их интерфейсных кабелей, что особенно привлекательно для малогабаритной периферии, по размеру и весу соизмеримой с кабелями. В беспроводных интерфейсах используются электромагнитные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Bluetooth) диапазонов. Кроме этих интерфейсов периферийных устройств существуют и беспроводные способы подключения к локальным сетям (см. [3]).

3.1. Инфракрасный интерфейс IrDA

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние до нескольких метров. Инфракрасная связь — IR (Infra Red) Connection — безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док-станциями. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современные малогабаритные устройства: карманные компьютеры (PDA), мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и т.п.

Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные — для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный аппарат и т.п. Ожидаются более высокие скорости обмена, которые позволят передавать «живое видео». В 1993 году была создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призванная обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, наряду с которым существуют и собственные системы фирм Hewlett Packard — HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) и Sharp — ASK IR (Amplitude Shifted Keyed IR). Эти интерфейсы обеспечивают следующие скорости передачи:

♦ IrDA SIR (Serial Infra Red), HP-SIR — 9,6–115,2 Кбит/с;

♦ IrDA HDLC, известный и как IrDA MIR (Middle Infra Red) — 0,576 и 1,152 Мбит/с;

♦ IrDA FIR (Fast Infra Red) — 4 Мбит/с;

♦ ASK IR — 9,6-57,6 Кбит/с.

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм; светодиод дает конус эффективного излучения с углом около 30°. В качестве приемника используют PIN-диоды, эффективно принимающие ИК-лучи в конусе 15°. Спецификация IrDA определяет требования к мощности передатчика и чувствительности приемника, причем для приемника задается как минимальная, так и максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не «увидит», а слишком большая мощность «ослепляет» приемник — принимаемые импульсы сольются в неразличимый сигнал. Кроме полезного сигнала на приемник воздействуют помехи: засветка солнечным освещением и лампами накаливания, дающая постоянную составляющую оптической мощности, и помехи от люминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Эти помехи приходится фильтровать. Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (Bit Error Ratio, BER) не более 10-9 при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность до 10 клюкс). Поскольку передатчик почти неизбежно вызывает засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится задействовать полудуплексную связь с определенными временными зазорами при смене направления обмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нет света) и различные схемы кодирования.

Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, которую рассмотрим снизу вверх.

Ниже перечислены варианты, возможные на физическом уровне IrDA.

♦ IrDA SIR — для скоростей 2,4–115,2 Кбит/с используется стандартный асинхронный режим передачи (как в СОМ-портах): старт-бит (нулевой), 8 бит данных и стоп-бит (единичный). Нулевое значение бита кодируется импульсом длительностью 3/16 битового интервала (1,63 мкс на скорости 115,2 Кбит/с), единичное — отсутствием импульсов (режим IrDA SIR-А). Таким образом, в паузе между посылками передатчик не светит, а каждая посылка начинается с импульса старт-бита. В спецификации 1.1 предусмотрен и иной режим — IrDA SIR-B, с фиксированной длительностью импульса 1,63 мкс для всех этих скоростей.

♦ ASK IR — для скоростей 9,6–57,6 Кбит/с также используется асинхронный режим, но кодирование иное: нулевой бит кодируется посылкой импульсов с частотой 500 кГц, единичный — отсутствием импульсов.

♦ IrDA HDLC — для скоростей 0,576 и 1,152 Мбит/с используется синхронный режим передачи и кодирование, аналогичное протоколу SIR, но с длительностью импульса 1/4-битового интервала. Формат кадра соответствует протоколу HDLC, начало и конец кадра отмечаются флагами 01111110, внутри кадра эта битовая последовательность исключается путем вставки битов (bit stuffing). Для контроля достоверности кадр содержит 16-битный CRC-код.

♦ IrDA FIR (IrDA4PPM) — для скорости 4 Мбит/с также применяется синхронный режим, но кодирование несколько сложнее. Здесь каждая пара смежных битов кодируется позиционно-импульсным кодом: 00→1000, 01→0100, 10→0010, 11→0001 (в четверках символов «1» означает посылку импульса в соответствующей четверти двухбитового интервала). Такой способ кодирования позволил вдвое снизить частоту включения светодиода по сравнению с предыдущим. Постоянство средней частоты принимаемых импульсов облегчает адаптацию к уровню внешней засветки. Для повышения достоверности применяется 32-битный CRC-код.

Над физическим уровнем расположен протокол доступа IrLAP (IrDA Infrared Link Access Protocol) — модификация протокола HDLC, отражающая нужды ИК-связи. Этот протокол инкапсулирует данные в кадры и предотвращает конфликты устройств: при наличии более двух устройств, «видящих» друг друга, одно из них назначается первичным, а остальные — вторичными. Связь всегда полудуплексная. IrLAP описывает процедуру установления, нумерации и закрытия соединений. Соединение устанавливается на скорости 9600 бит/с, после чего согласуется скорость обмена по максиму из доступных обоим (9, 6, 19,2, 38,4,57,6 или 115,2 Кбит/с) и устанавливаются логические каналы (каждый канал управляется одним ведущим устройством).

Над IrLAP располагается протокол управления соединением IrLMP (IrDA Infrared Link Management Protocol). С его помощью устройство сообщает остальным о своем присутствии в зоне охвата (конфигурация устройств IrDA может изменяться динамически: для ее изменения достаточно поднести новое устройство или отнести его подальше). Протокол IrLMP позволяет обнаруживать сервисы, предоставляемые устройством, проверять потоки данных и выступать в роли мультиплексора для конфигураций с множеством доступных устройств. Приложения с помощью IrLMP могут узнать, присутствует ли требуемое им устройства в зоне охвата. Однако гарантированной доставки данных этот протокол не обеспечивает.

Транспортный уровень обеспечивается протоколом Tiny TP (IrDA Transport Protocols) — здесь обслуживаются виртуальные каналы между устройствами, обрабатываются ошибки (потерянные пакеты, ошибки данных и т.п.), производится упаковка данных в пакеты и сборка исходных данных из пакетов (протокол напоминает TCP). На транспортном уровне может работать и протокол IrTP.

Протокол IrCOMM позволяет через ИК-связь эмулировать обычное проводное подключение:

♦ 3-проводное по RS-232C (TXD, RXD и GND);

♦ 9-проводное по RS-232C (весь набор сигналов СОМ-порта);

♦ Centronics (эмуляция параллельного интерфейса).

Протокол IrLAN обеспечивает доступ к локальным сетям, позволяя передавать кадры сетей Ethernet и Token Ring. Для ИК-подключения к локальной сети требуется устройство-провайдер с интерфейсом IrDA, подключенное обычным (проводным) способом к локальной сети, и соответствующая программная поддержка в клиентском устройстве (которое должно войти в сеть).

Протокол объектного обмена IrOBEX (Object Exchange Protocol) — простой протокол, определяющий команды PUT и GET для обмена «полезными» двоичными данными между устройствами. Этот протокол располагается над протоколом Tiny ТР. У протокола IrOBEX есть расширение для мобильных коммуникаций, которое определяет передачу информации, относящуюся к сетям GSM (записная книжка, календарь, управление вызовом, цифровая передача голоса и т.п.), между телефоном и компьютерами разных размеров (от настольного до PDA).

Этими протоколами не исчерпывается весь список протоколов, имеющих отношение к ИК-связи. Заметим, что для дистанционного управления бытовой техникой (телевизоры, видеомагнитофоны и т.п.) используется тот же диапазон 880 нм, но иные частоты и методы физического кодирования.

Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеру различными способами; по отношению к системному блоку он может быть как внутренним (размещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольном месте. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зрения» (30° у передатчика и 15° у приемника) и расстояния до требуемого устройства (до 1 м).

Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115,2 Кбит/с (IrDA SIR, HP-SIR, ASK IR) подключаются через обычные микросхемы UART, совместимые с 16450/16550 через сравнительно несложные схемы модуляторов-демодуляторов. В ряде современных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115,2 Кбит/с) может конфигурироваться порт COM2. Для этого в дополнение к UART чипсет содержит схемы модулятора и демодулятора, обеспечивающие один или несколько протоколов инфракрасной связи. Чтобы порт COM2 использовать для инфракрасной связи, в CMOS Setup требуется выбрать соответствующий режим (запрет инфракрасной связи означает обычное использование COM2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (для шин ISA, PCI, PC Card); для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы контроллеров IrDA, ориентированные на интенсивный программно- управляемый обмен или DMA, с возможностью прямого управления шиной. Здесь обычный приемопередатчик UART непригоден, поскольку он не поддерживает синхронный режим и высокую скорость. Контроллер IrDA FIR выполняется в виде карты расширения или интегрируется в системную плату; как правило, такой контроллер поддерживает и режимы SIR.

Приемопередатчик подключается к разъему IR-Connector системной платы напрямую (если он устанавливается на лицевую панель компьютера) или через промежуточный разъем (mini-DIN), расположенный на скобе-заглушке задней стенки корпуса. К сожалению, единой раскладки цепей на внутреннем коннекторе нет, и для большей гибкости приемопередатчик (или промежуточный разъем) снабжают кабелем с отдельными контактами разъема. Собрать их в должном порядке предоставляют пользователю; варианты назначения контактов коннектора инфракрасного приемопередатчика приведены в табл. 3.1. Некоторые приемопередатчики, поддерживающие режимы FIR и SIR, имеют раздельные выходы приемников — IRRX (для SIR) и FIRRX (для FIR). Если контроллер поддерживает только один из режимов, один из контактов останется неподключенным.


Таблица 3.1. Коннектор инфракрасного приемопередатчика

Цепь Назначение Контакт/вариант
1 2 3 4
IRRX(RX) Вход с приемника 1 3 3 3
FIRRX(RXH) Вход с приемника FIR 5 4
IRTX(TX) Выход на передатчик 3 5 1 1
GND Общий 2, 7 4 2 2
Vcc (+5B) Питание 4, 6 1 5 5
NC Свободный 2 4

Внешние ИК-адаптеры выпускают с интерфейсом RS-232C для подключения к СОМ-порту или же с шиной USB. Пропускной способности USB достаточно даже для FIR, СОМ-порт пригоден только для SIR. Внешний ИК-адаптер IrDA SIR для СОМ-порта не так прост, как казалось бы: для работы модулятора-демодулятора требуется сигнал синхронизации с частотой, равной 16-кратной частоте передачи данных (этот сигнал поступает на синхровход микросхемы UART СОМ-порта). Такого сигнала на выходе СОМ-порта нет и его приходится восстанавливать из асинхронного битового потока. Адаптер ASK IR в этом плане проще — передатчик должен передавать высокочастотные импульсы все время, пока выход TXD находится в высоком состоянии; приемник должен формировать огибающую принятых импульсов.

Для прикладного использования IrDA кроме физического подключения адаптера и трансивера требуется установка и настройка соответствующих драйверов. В ОС Windows 9x/ME/2000 контроллер IrDA попадает в группу Сетевое окружение. Сконфигурированное ПО позволяет устанавливать соединение с локальной сетью (для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов); передавать файлы между парой компьютеров; выводить данные на печать; синхронизировать данные PDA, мобильного телефона и настольного компьютера; загружать отснятые изображения из фотокамеры в компьютер и выполнять ряд других полезных действий, не заботясь ни о каком кабельном хозяйстве.

3.2. Радиоинтерфейс Bluetooth

Bluetooth (синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации с помощью радиосвязи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любыми другими портативными устройствами на небольшие расстояния. Разработкой спецификации занимается группа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, компьютеров и сетей — 3Com, Agere Systems, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba. Эта группа, образовавшая Bluetooth Special Interest Group, и вывела данную технологию на рынок. Спецификация Bluetooth свободно доступна в Сети (www.bluetooth.com), правда, она весьма объемна (около 15 Мбайт PDF-файлов). Открытость спецификации должна способствовать ее быстрому распространению, что уже и наблюдается на практике. Здесь позволим себе сократить название технологии до «ВТ» (это не официальное сокращение). Само название представляет собой прозвище датского короля, объединившего Данию и Норвегию, — намек на всеобщую объединяющую роль технологии.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для промышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для ВТ используются радиоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота каналов F=2402+k (МГц), где k=0, …, 78. Для нескольких стран (например, Франции, где в этом диапазоне работают военные) возможен сокращенный вариант с F-2454+k (k=0, …, 22). Кодирование простое — логической единице соответствует положительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100 МВт, при чем должна быть возможность понижения мощности с целью экономии энергии.

Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физический канал связи представляется определенной псевдослучайной последовательностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот). Группа устройств, разделяющих один канал (то есть «знающих» одну и ту же последовательность перескоков), образует так называемую пикосеть (piconet), в которую может входить от 2 до 8 устройств. В каждой пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с ведущим устройством, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока ведущее устройство не разрешит их активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1–7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер для использования другими. При последующей активизации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный). Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросанную» сеть (scatternet). При этом в каждой пикосети ведущее устройство только одно, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей, используя раз деление времени (часть времени он работает в одной, часть — в другой пикосети). Более того, ведущее устройство одной пикосети может быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосети никак не синхронизированы, каждая из них использует свой канал (последовательность перескоков).

Канал делится на тайм-слоты длительностью 625 мкс, слоты последовательно нумеруются с цикличностью 227. Каждый тайм-слот соответствует одной частоте, несущей в последовательности перескоков (1600 перескоков в секунду). Последовательность частот определяется адресом ведущего устройства пикосети. Передачи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от 1 до 5 тайм-слотов. Если пакет длинный, то он весь передается на одной частоте несущей, но отсчет слотов по 625 мкс продолжается, и после длинного пакета следующая частота будет соответствовать очередному номеру слота (то есть несколько перескоков будут пропущены). Ведущее и ведомые устройства ведут передачу поочередно: в четных слотах передачу ведет ведущее устройство, а в нечетных — адресованное им ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).

Между ведущим и ведомыми устройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачи изохронного трафика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа «точка-точка» предварительно устанавливает ведущее устройство с выбранными ведомыми устройствами, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повторные передачи пакетов в случае ошибок приема не используются. Ведущее устройство может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое устройство может иметь до трех связей с одним ведущим устройством или иметь по одной связи SCO с двумя различными ведущими устройствами. По сетевой классификации связи SCO относятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка-множество точек» между ведущим устройством и всеми ведомыми устройствами пикосети. Ведущее устройство может связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа. Ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос ведущего устройства (безошибочно декодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматривается повторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Ведущее устройство может посылать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств ведущее устройство может установить лишь одну связь ACL.

Информация передается пакетами, в которых поле данных может иметь длину 0–2745 бит. Для связей ACL предусмотрено несколько типов пакетов с защитой CRC-кодом (в случае обнаружения ошибки предусматривается повторная передача) и 1 беззащитный (без повторных передач). Для связей SCO данные не защищаются CRC-кодом, и следовательно, повторные передачи по ошибке приема не предусмотрены.

Защита данных от искажения и контроль достоверности производится несколькими способами. Данные некоторых типов пакетов защищаются CRC-кодом, и приемник информации должен подтверждать прием правильного пакета или сообщить об ошибке приема. Для сокращения числа повторов применяется избыточное кодирование FEC (Forward Error Correction code). В схеме FEC 1/3 каждый полезный бит передается трижды, что позволяет выбрать наиболее правдоподобный вариант мажорированием. Схема FEC 2/3 несколько сложнее, здесь используется код Хэмминга, что позволяет исправлять все однократные и обнаруживать все двукратные ошибки в каждом 10-битном блоке.

Каждый голосовой канал обеспечивает скорость по 64 Кбит/с в обоих направлениях. В канале может использоваться кодирование в формате PCM (импульсно-кодовая модуляция) или CVSD (Continuous Variable Slope Delta Modulation — вариант адаптивной дельта импульсно-кодовой модуляции). Кодирование PCM допускает компрессию по G.711; оно обеспечивает лишь сугубо «телефонное» качество сигнала (имеется в виду цифровая телефония, 8-битные выборки с частотой 8 Кбит/с). Кодер CVSD обеспечивает более высокое качество — он упаковывает входной PCM-сигнал с частотой выборок 64 Кбит/с, однако и при этом спектральная плотность сигнала в полосе частот 4-32 кГц должна быть незначительной. Для передачи высококачественного аудиосигнала голосовые (речевые) каналы ВТ непригодны, однако сжатый сигнал (например, поток MP3) вполне можно передавать по асинхронному каналу передачи данных.

Асинхронный канал может обеспечивать максимальную скорость 723,2 Кбит/с в асимметричной конфигурации (оставляя для обратного канала полосу 57,6 Кбит/с) или же 433,9 Кбит/с в каждую сторону в симметричной конфигурации.

Для обеспечения безопасности в ВТ применяется аутентификация и шифрование данных на уровне связи (link layer), которые, конечно же, могут дополняться и средствами верхних протокольных уровней.

Важной частью ВТ является протокол обнаружения сервисов SDP (Service Discovery Protocol), позволяющий устройству найти «интересного собеседника». В дальнейшем, установив с ним соединение, устройство сможет воспользоваться требуемыми сервисами (например, выводить документы на печать, подключиться к Сети и т.п.).

Протокол RFCOMM обеспечивает эмуляцию последовательного порта (9-проводного RS-232) через L2CAP. С его помощью традиционные кабельные соединения устройств (в том числе и нуль-модемные) могут быть легко заменены на радиосвязь, без каких-либо модификаций ПО верхних уровней. Протокол позволяет устанавливать и множественные связи (одного устройства с несколькими), и радиосвязь заменит громоздкие и дорогие мультиплексоры и кабели. Через протокол RFCOMM может работать протокол OBEX, используемый в инфракрасных беспроводных соединениях (в иерархии протоколов IrDA), Через RFCOMM может работать и протокол PPP, над которым стоят протоколы стека TCP/IP, — это открывает дорогу во все приложения для Интернета. Через RFCOMM работают и AT-команды, управляющие телефонными соединениями и сервисами передачи факсов (эти же команды используются в модемах для коммутируемых линий).

Специальный бит-ориентированный телефонный протокол TCS BIN (Telephony Control protocol — Binary), определяющий сигнализацию вызова для связи устройств ВТ (речевой связи и обмена данными), тоже работает через L2CAP. В протоколе имеются и средства управления группами устройств TCS.

Интерфейс хост-контроллера HCI (Host Controller Interface) — это единообразный метод доступа к аппаратно-программным средствам нижних уровней ВТ. Он предоставляет набор команд для управления радиосвязью, получения информации о состоянии и собственно передачи данных. Через этот интерфейс происходит взаимодействие протокола L2CAP с аппаратурой ВТ. Физически аппаратура ВТ может подключаться к различным интерфейсам: шине расширения (например, PC Card), шине USB, СОМ-порту. Для каждого из этих подключений имеется соответствующий протокол транспортного уровня HCI — прослойка, обеспечивающая независимость HCI от способа подключения.

Глава 4 Последовательные шины USB и FireWire

Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1–2 пары проводов. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей, — USB и FireWire способны передавать изохронный трафик аудио- и видеоданных. Последовательные шины по своей организации сильно отличаются от параллельных. В последовательных шинах нет отдельных линий для данных, адреса и управления — все протокольные функции приходится выполнять, пользуясь одной или двумя (в FireWire) парами сигнальных проводов. Это накладывает отпечаток на построение шинного протокола, который в последовательных шинах строится на основе пересылок пакетов — определенным образом организованных цепочек бит. Заметим, что в терминологии USB пакеты и кадры имеют несколько иную трактовку, нежели в сетях передачи данных. В параллельных шинах имеются возможности явной синхронизации интерфейсной части ведущих и ведомых устройств; исполнение каждого шага протокола обмена может быть подтверждено, и, при необходимости, некоторые фазы обмена могут продлеваться по «просьбе» не успевающего устройства. В последовательных шинах такой возможности нет — пакет пересылается целиком, а синхронизация возможна только по принимаемому потоку бит. Эти и другие особенности сближают последовательные шины с локальными сетями передачи данных.

Наибольшую популярность имеют шины USB и FireWire, хотя последняя пока что в PC-совместимых компьютерах используется не повсеместно. Последовательные шины FireWire и USB, имея общие черты, являются, тем не менее, существенно различными технологиями. Обе шины обеспечивают простое подключение большого числа ПУ (127 для USB и 63 для FireWire), допуская коммутации и включение/выключение устройств при работающей системе. По структуре топология обеих шин достаточно близка, но FireWire допускает большую свободу и пространственную протяженность. Хабы USB входят в состав многих устройств и для пользователя их присутствие зачастую незаметно. Обе шины имеют линии питания устройств, но допустимая мощность для FireWire значительно выше. Обе шины поддерживают технологию PnP (автоматическое конфигурирование при включении/выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и прерываний. Различаются пропускная способность и управление шинами.

Шина USB ориентирована на периферийные устройства, подключаемые к PC. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровые аудиосигналы, а шина USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляются централизованно, и PC является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Адаптер USB пользователи современных ПК получают почти бесплатно, поскольку он входит в состав всех современных чипсетов системных плат. Правда, адаптеры USB.0 первое время будут выпускаться в виде карт PCI. Непосредственное соединение нескольких PC шиной USB не предусматривается, хотя выпускаются «активные кабели» для связи пары компьютеров и устройства-концентраторы.

Шина FireWire ориентирована на устройства бытовой электроники, которые с ее помощью могут быть объединены в единую домашнюю сеть. К этой сети может быть подключен компьютер, и даже не один. Принципиальным преимуществом шины 1394 является отсутствие необходимости в специальном контроллере шины (компьютере). Любое передающее устройство может получить полосу изохронного трафика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления — приемники «услышат» эту информацию. При наличии контроллера соответствующее ПО может управлять работой устройств, реализуя, например, цифровую студию нелинейного видеомонтажа или снабжая требуемыми мультимедийными данными всех заинтересованных потребителей информации.

4.1. Шина USB

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживает версию 1.1, которая вышла осенью 1998 года, — в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины. Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость FS (full speed) — 12 Мбит/с и низкая скорость LS (Low Speed) — 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость HS (High Speed) — 480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина с использованием промежуточных хабов позволяет соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м. Подробную и оперативную информацию по USB (на английском языке) можно найти по адресу http://www.usb.org.

4.1.1. Организация шины USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (devices) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Устройство-хаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т.п. Комбинированное устройство (compound device), содержащее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства — исключительно ведомые. Физическая топология шины USB — многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub), как правило, двухпортовым. Хаб является устройством-разветвителем, он может являться и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства внутри себя содержат хаб, их подключения к хабу 6-го яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба. Логическая топология USB — просто звезда: для хост-контроллера хабы создают иллюзию непосредственного подключения каждого устройства. В отличие от шин расширения (ISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами посредством обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB.

В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин AT А и особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное. Кабель USB содержит одну экранированную витую пару с импедансом 90 Ом для сигнальных цепей и одну неэкранированную для подачи питания (+5 В), допустимая длина сегмента — до 5 м. Для низкой скорости может использоваться невитой неэкранированный кабель длиной до 3 м (он дешевле). Система кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (рис. 4.1, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (рис. 4.1, в). Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «А» — на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «В» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т.п. кабели, как правило, не отсоединяются). Кроме стандартных разъемов, показанных на рисунке 4.1, применяются и миниатюрные варианты (рис. 4.2, в, г, д). Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения. Для этого разъемы обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению к сигнальным, кроме того, предусмотрен протокол сигнализации подключения и отключения устройств. Назначение выводов разъемов USB приведено в табл. 4.1, нумерация контактов показана на рис. 4.2. Все кабели USB «прямые» — в них соединяются одноименные цепи разъемов.

Рис. 4.1. Коннекторы USB: a — вилка типа «А», б — вилка типа «В», в — символическое обозначение

Рис. 4.2. Гнезда USB: а — типа «А», б — типа «В» стандартное, в, г, д — миниатюрные типа «В»


Таблица 4.1. Назначение выводов разъема USB

Контакт (рис. 4.2, а — г) Контакт (рис. 4.2, д) Цепь
1 1 VBus (+5 В)
2 2 D-
3 3 D+
4 5 GND

В шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Скорость устройства, подключенного к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами приемопередатчиков: устройства с низкой скоростью «подтягивают» к высокому уровню линию D-, с полной — D+. Подключение устройства HS определяется на этапе обмена конфигурационной информацией — физически на первое время устройство HS должно подключаться как FS. Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника, каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса.

Введение высокой скорости (480 Мбит/с — всего в 2 раза медленнее, чем Gigabit Ethernet) требует тщательного согласования приемопередатчиков и линии связи. На этой скорости может работать только кабель с экранированной витой парой для сигнальных линий. Для высокой скорости аппаратура USB должна иметь дополнительные специальные приемопередатчики. В отличие от формирователей потенциала для режимов FS и LS, передатчики HS являются источниками тока, ориентированными на наличие резисторов-терминаторов на обеих сигнальных линиях.

Скорость передачи данных (LS, FS или HS) выбирается разработчиком периферийного устройства в соответствии с потребностями этого устройства. Реализация низких скоростей для устройства обходится несколько дешевле (приемопередатчики проще, а кабель для LS может быть и неэкранированной невитой парой). Если в «старой» USB устройства можно было, не задумываясь, подключать в любой свободный порт любого хаба, то в USB 2.0 при наличии устройств и хабов разных версий появились возможности выбора между оптимальными, неоптимальными и неработоспособными конфигурациями.

Хабы USB 1.1 обязаны поддерживать скорости FS и LS, скорость подключенного к хабу устройства определяется автоматически по разности потенциалов сигнальных линий. Хабы USB 1.1 при передаче пакетов являются просто повторителями, обеспечивающими прозрачную связь периферийного устройства с контроллером. Передачи на низкой скорости довольно расточительно расходуют потенциальную пропускную способность шины: за то время, на которое они занимают шину, высокоскоростное устройство может передать данных в 8 раз больше. Но ради упрощения и удешевления всей системы на эти жертвы пошли, а за распределением полосы между разными устройствами следит планировщик транзакций хост-контроллера.

В спецификации 2.0 скорость 480 Мбит/с должна уживаться с прежними, но при таком соотношении скоростей обмены на FS и LS «съедят» возможную полосу пропускания шины без всякого «удовольствия» (для пользователя). Чтобы этого не происходило, хабы USB 2.0 приобретают черты коммутаторов пакетов. Если к порту такого хаба подключено высокоскоростное устройство (или аналогичный хаб), то хаб работает в режиме повторителя, и транзакция с устройством на HS занимает весь канал до хост-контроллера на все время своего выполнения. Если же к порту хаба USB 2.0 подключается устройство или хаб 1.1, то по части канала до контроллера пакет проходит на скорости HS, запоминается в буфере хаба, а к старому устройству или хабу идет уже на его «родной» скорости FS или LS. При этом функции контроллера и хаба 2.0 (включая и корневой) усложняются, поскольку транзакции на FS и LS расщепляются и между их частями вклиниваются высокоскоростные передачи. От старых (1.1) устройств и хабов все эти тонкости скрываются, что и обеспечивает обратную совместимость. Вполне понятно, что устройство USB 2.0 сможет реализовать высокую скорость, только если по пути от него к хост-контроллеру (тоже 2.0) будут встречаться только хабы 2.0. Если это правило нарушить и между ним и контроллером 2.0 окажется старый хаб, то связь может быть установлена только в режиме FS. Если такая скорость устройство и клиентское ПО устроит (к примеру, для принтера и сканера это выльется только в большее время ожидания пользователя), то подключенное устройство работать будет, но появится сообщение о неоптимальной конфигурации соединений. По возможности ее (конфигурацию) следует исправить, благо переключения кабелей USB можно выполнять на ходу. Устройства и ПО, критичные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать откажутся и категорично потребуют переключений. Если же хост-контроллер старый, то все преимущества USB 2.0 окажутся недоступными пользователю. В этом случае придется менять хост- контроллер (менять системную плату или приобретать PCI-карту контроллера). Контроллер и хабы USB 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к разным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них суммарная пропускная способность шины USB возрастет по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов.

Хаб является ключевым элементом системы PnP в архитектуре USB. Хаб выполняет множество функций:

♦ обеспечивает физическое подключение устройств, формируя и воспринимая сигналы в соответствии со спецификацией шины на каждом из своих портов;

♦ управляет подачей питающего напряжения на нисходящие порты, причем предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом;

♦ отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях;

♦ обнаруживает ошибки на шине, выполняет процедуры восстановления и изолирует неисправные сегменты шины;

♦ обеспечивает связь сегментов шины, работающих на разных скоростях.

Хаб следит за сигналами, генерируемыми устройствами. Неисправное устройство может не вовремя «замолчать» (потерять активность) или, наоборот, что-то «бормотать» (babble). Эти ситуации отслеживает ближайший к устройству хаб и запрещает восходящие передачи от такого устройства не позже, чем по границе (микро)кадра. Благодаря бдительности хабов эти ситуации не позволят неисправному устройству заблокировать всю шину.

Каждый из нисходящих (downstream) портов может быть разрешен или запрещен, а также сконфигурирован на высокую, полную или ограниченную скорость обмена. Хабы могут иметь световые индикаторы состояния нисходящих портов, управляемые автоматически (логикой хаба) или программно (хост-контроллером). Индикатор может представлять собой пару светодиодов — зеленый и желтый (янтарный) или один светодиод с изменяющимся цветом. Состояние порта представляется следующим образом:

♦ не светится — порт не используется;

♦ зеленый — нормальная работа;

♦ желтый — ошибка;

♦ зеленый мигающий — программа требует внимания пользователя (Software attention);

♦ желтый мигающий — аппаратура требует внимания пользователя (Hardware attention).

Восходящий (upstream) порт хаба конфигурируется и внешне представляется как полноскоростной или высокоскоростной (только для USB 2.0). При подключении порт хаба USB 2.0 обеспечивает терминацию по схеме FS, в режим HS он переводится только по команде контроллера.

На рис. 4.3 приведен вариант соединения устройств и хабов, где высокоскоростным устройством USB 2.0 является только телекамера, передающая видеопоток без компрессии. Подключение принтера и сканера USB 1.1 к отдельным портам хаба 2.0, да еще и развязка их с аудиоустройствами, позволяет им использовать полосу шины по 12 Мбит/с каждому. Таким образом, из общей полосы 480 Мбит/с на «старые» устройства (USB 1.0) выделяется 3×12=36 Мбит/с. Вообще-то можно говорить и о полосе в 48 Мбит/с, поскольку клавиатура и мышь подключены к отдельному порту хост-контроллера USB 2.0, но эти устройства «освоят» только малую толику из выделенных им 12 Мбит/с. Конечно, можно подключать клавиатуру и мышь к порту внешнего хаба, но с точки зрения повышения надежности системные устройства ввода лучше подключать наиболее коротким (по количеству кабелей, разъемов и промежуточных устройств) способом. Неудачной конфигурацией было бы подключение принтера (сканера) к хабу USB 1.1 — во время работы с аудиоустройствами (если они высокого качества) скорость печати (сканирования) будет падать. Неработоспособной конфигурацией явилось бы подключение телекамеры к порту хаба USB 1.1.

Рис. 4.3. Пример конфигурации соединений

При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать режим приостановки (suspended mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хост-компьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

4.1.2. Модель передачи данных

Каждое устройство на шине USB (их может быть до 127) при подключении автоматически получает свой уникальный адрес. Логически устройство представляет собой набор независимых конечных точек (endpoint, ЕР), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждая конечная точка имеет свой номер и описывается следующими параметрами:

♦ требуемая частота доступа к шине и допустимые задержки обслуживания;

♦ требуемая полоса пропускания канала;

♦ требования к обработке ошибок;

♦ максимальные размеры передаваемых и принимаемых пакетов;

♦ тип передачи;

♦ направление передачи (для передач массивов и изохронного обмена).

Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса состояния устройства. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине. Она поддерживает передачи типа «управление» (см. ниже).

Кроме нулевой точки, устройства-функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные — до 15 точек ввода и 15 точек вывода (протокольное ограничение). Дополнительные точки (а именно они и предоставляют полезные для пользователя функции) не могут быть использованы до их конфигурирования (установления согласованного с ними канала).

Каналом (pipe) в USB называется модель передачи данных между хост- контроллером и конечной точкой устройства. Имеются два типа каналов: потоки и сообщения. Поток (stream) доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух поточных каналов — ввода и вывода. Поток может реализовывать следующие типы обмена: передача массивов, изохронный и прерывания. Сообщение (message) имеет формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двусторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке.

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т.п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния.

4.1.3. Протокол

Все обмены (транзакции) с устройствами USB состоят из двух-трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-маркер (token packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет квитирования (handshake packet)? Последовательность пакетов в транзакциях иллюстрирует рис. 4.4.

Рис. 4.4. Последовательности пакетов: а — вывод, б — ввод

Хост-контроллер организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Контроллер циклически (с периодом 1,0±0,0005 мс) формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные транзакции (рис. 4.5). Каждый кадр начинается с посылки маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы. В конце каждого кадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. В режиме HS пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (период 125±0,0625 мкс). Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в них всегда находилось место для транзакций управления и прерываний. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов (bulk transfers). В каждом (микро)кадре может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зависит от длины поля данных каждой из них.

Рис. 4.5. Поток кадров USB

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.

Все подробности организации транзакций от клиентского ПО изолируются контроллером USB и его системным программным обеспечением.

4.1.4. Типы передач данных

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных.

♦ Управляющие посылки (control transfers) используются для конфигурирования устройств во время их подключения и для управления устройствами в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных.

♦ Передачи массивов данных (bulk data transfers) — это передачи без каких- либо обязательств по задержке доставки и скорости передачи. Передачи массивов могут занимать всю полосу пропускания шины, свободную от передач других типов. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Доставка гарантированная — при случайной ошибке выполняется повтор. Передачи массивов уместны для обмена данными с принтерами, сканерами, устройствами хранения и т.п.

♦ Прерывания (interrupt) — короткие передачи, которые имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 10-255 мс для низкой, 1-255 мс для полной скорости, на высокой скорости можно заказать и 125 мкс. При случайных ошибках обмена выполняется повтор. Прерывания используются, например, при вводе символов с клавиатуры или для передачи сообщения о перемещении мыши.

♦ Изохронные передачи (isochronous transfers) — непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины с гарантированным временем задержки доставки. Позволяют на полной скорости организовать канал с полосой 1,023 Мбайт/с (или два по 0,5 Мбайт/с), заняв 70% доступной полосы (остаток можно заполнить и менее емкими каналами). На высокой скорости конечная точка может получить канал до 24 Мбайт/с (192 Мбит/с). В случае обнаружения ошибки изохронные данные не повторяются — недействительные пакеты игнорируются. Изохронные передачи нужны для потоковых устройств: видеокамер, цифровых аудиоустройств (колонки USB, микрофон), устройств воспроизведения и записи аудио- и видеоданных (CD и DVD). Видеопоток (без компрессии) шина USB способна передавать только на высокой скорости.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и, если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Архитектура USB предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. Шина USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

4.1.5. Синхронизация при изохронной передаче

Изохронная передача данных связана с синхронизацией устройств, объединяемых в единую систему. Возьмем пример использования USB, когда к компьютеру подключен микрофон USB (источник данных) и колонки USB (приемник данных), и эти аудиоустройства связаны между собой через программный микшер (клиентское ПО). Каждый из этих компонентов может иметь собственные «понятия» о времени и синхронизации: микрофон, к примеру, может иметь частоту выборки 8 кГц и разрядность данных 1 байт (поток 64 Кбит/с), стереоколонки — 44,1 кГц и разрядность 2×2 байта (176,4 Кбит/с), а микшер может работать на частоте выборок 32 кГц. Микшер в этой системе является связующим звеном, и его источник синхронизации будем считать главным (master clock). Программный микшер обрабатывает данные пакетами, сеансы обработки выполняются регулярно с определенным периодом обслуживания (скажем, в 20 мс — частота 50 Гц). В микшере должны быть модули согласования частот выборки, которые объединяют несколько выборок в одну, если входная частота выше выходной, или «сочиняют» (интерполируют) новые промежуточные выборки, если выходная частота выше. В системе с USB приходится иметь дело со следующими частотами:

♦ частота выборки (sample rate) для источников (source) и приемников (sink) данных;

♦ частота шины USB — частота кадров (1 кГц) для полной скорости и микрокадров (8 кГц) для высокой (с этой частотой все устройства USB «видят» маркеры начала (микро)кадров SOF);

♦ частота обслуживания — частота, с которой клиентское ПО обращается к драйверам USB для передачи и приема изохронных данных.

В системе без общего источника синхронизации между парами синхросигналов возможны отклонения следующих типов:

♦ дрейф (drift) — отклонения формально одинаковых частот от номиналов (не бывает двух абсолютно одинаковых генераторов);

♦ дрожание (jitter) — колебание частот относительно номинала;

♦ фазовый сдвиг, если сигналы не связаны системой фазовой автоподстройки ФАПЧ (PLL).

В цифровой системе передачи данных эти отклонения выливаются в то, что у источника или приемника данных может образовываться излишек или недостаток данных, колеблющийся или прогрессирующий во времени. В USB по способу синхронизации конечных точек (источников или получателей данных) с системой различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств (точнее, конечных точек), каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Асинхронные устройства не имеют возможности согласования своей частоты выборок с метками SOF или иными частотами системы USB. Частота передачи данных у них фиксированная или программируемая. Число байт данных, принимаемых за каждый (микро)кадр USB, не является постоянным. Источник данных неявно сообщает свою скорость передачи данных числом выборок, генерируемых им за один (микро)кадр (клиентское ПО будет обрабатывать столько данных, сколько реально поступило). Приемник данных должен обеспечивать обратную связь для адаптивного драйвера клиентского ПО, чтобы согласовать темп выдачи потока (см. ниже). Примерами асинхронного устройства-источника может быть CD-плейер с синхронизацией от кварцевого генератора или приемник спутникового телевещания. Пример приемника — дешевые колонки, работающие от внутреннего источника синхронизации.

Синхронные устройства имеют внутренний генератор, синхронизируемый с метками SOF (системная частота 1 кГц); на высокой частоте передачи более точную синхронизацию обеспечивает связь с микрокадрами. Источники и приемники за каждый (микро)кадр генерируют (потребляют) одинаковое количество байт данных, которое устанавливается на этапе программирования каналов. Примером синхронного источника может быть цифровой микрофон с частотой выборки, синтезируемой по SOF.

Адаптивные устройства имеют возможность подстройки своей внутренней частоты под требуемый поток данных (в определенных границах). Адаптивный источник позволяет менять скорость под управлением приемника, обеспечивающего обратную связь. Для адаптивного приемника информацию о частоте задает входной поток данных. Он определяет мгновенное значение частоты по количеству данных, принятых за некоторый интервал усреднения. Примером адаптивного источника является CD-плейер со встроенным согласователем частоты SRC (sample rate converter) приемника — высококачественные колонки или наушники USB.

Обратная связь позволяет согласовать значения частот устройств с частотой шины. Асинхронный приемник должен явным образом сообщать хост-контроллеру желаемую частоту передачи данных относительно частоты (микро)кадров. Это позволит хост-контроллеру постоянно корректировать число передаваемых байт за каждый (микро)кадр, не допуская переполнения или опустошения буфера устройства-приемника. Адаптивный передатчик должен воспринимать информацию обратной связи, чтобы за каждый (микро)кадр генерировать ровно столько данных, сколько требуется хост-контроллеру. Для обратной связи в устройстве выделяется специальная конечная точка, через которую периодически передается информация о текущем значении желаемой относительной частоты.

В принципе контроллер USB может подстраивать частоту кадров, но, естественно, под частоту внутренней синхронизации только одного устройства. Подстройка осуществляется через механизм обратной связи, который позволяет изменять период кадра в пределах ±1 битового интервала.

4.1.6. Хост

У каждой шины USB должен быть один (и только один!) хост — компьютер с контроллером USB. Хост делится на три основных уровня.

♦ Интерфейс шины USB обеспечивает физический интерфейс и протокол шины. Интерфейс шины реализуется хост-контроллером, имеющим встроенный корневой хаб, обеспечивающий точки физического подключения к шине (гнезда USB типа «А»). Хост-контроллер отвечает за генерацию (микро)кадров. На аппаратном уровне хост-контроллер обменивается информацией с основной памятью компьютера, используя прямое управление шиной (bus-mastering) с целью минимизации нагрузки на центральный процессор.

♦ Система USB, используя хост-контроллер(ы), транслирует клиентское «видение» обмена данными с устройствами в транзакции, выполняемые с реальными устройствами шины. Система отвечает и за распределение ресурсов USB — полосы пропускания и мощности источников питания (для устройств, питающихся от шины). Система состоит из трех основных частей:

• Драйвер хост-контроллера — HCD (Host Controller Driver) — модуль, привязанный к конкретной модели контроллера, обеспечивающий абстрагирование драйвера USB и позволяющий в одну систему включать несколько разнотипных контроллеров.

• Драйвер USB — USBD (USB Driver) — обеспечивает основной интерфейс (USBDI) между клиентами и устройствами USB. Интерфейс HCDI (Host Controller Driver Interface) между USBD и HCD спецификацией USB не регламентируется. Он определяется разработчиками ОС и должен поддерживаться разработчиками хост-контроллеров, желающих иметь поддержку своих изделий конкретными ОС. Клиенты не могут пользоваться интерфейсом HCDI; для них предназначен интерфейс USBDI. USBD обеспечивает механизм обмена в виде пакетов IRP (I/O Request Packet — пакет запроса ввода-вывода), состоящих из запросов на транспортировку данных по заданному каналу. Кроме того, USBD отвечает за некоторое абстрактное представление устройства USB клиенту, которое позволяет выполнять конфигурирование и управление состоянием устройств (включая и стандартное управление через конечную точку «0»). Реализация интерфейса USBDI определяется операционной системой; в спецификации USB излагаются только общие идеи.

• Программное обеспечение хоста реализует функции, необходимые для функционирования системы USB в целом: обнаружение подключения и отключения устройств и выполнение соответствующих действий по этим событиям (загрузки требуемых драйверов), нумерацию устройств, распределение полосы пропускания и потребляемой мощности и т.п.

♦ Клиенты USB — программные элементы (приложения или системные компоненты), взаимодействующие с устройствами USB. Клиенты могут взаимодействовать с любыми устройствами (их конечными точками), подключенными к системе USB. Однако система USB изолирует клиентов от непосредственного обмена с какими-либо портами (в пространстве ввода-вывода) или ячейками памяти, представляющими интерфейсную часть контроллера USB.

В совокупности уровни хоста имеют следующие возможности:

♦ обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;

♦ манипулирование потоками управления между устройствами и хостом;

♦ манипулирование потоками данных;

♦ сбор статистики активности и состояний устройств;

♦ управление электрическим интерфейсом между хост-контроллером и устройствами USB, включая управление электропитанием.

Хост-контроллер является аппаратным посредником между устройствами USB и хостом. Программная часть хоста в полном объеме реализуется операционной системой. До загрузки ОС может функционировать лишь усеченная часть ПО USB, поддерживающая только устройства, требующиеся для загрузки. Так, в BIOS современных системных плат имеется поддержка клавиатуры USB, реализующая функции сервиса Int 10h. При загрузке системы USB эта «дозагрузочная» поддержка игнорируется — система начинает работу с контроллером «с чистого листа», то есть со сброса и определения всех подключенных устройств. По окончании работы ОС передача состояния USB «дозагрузочной» поддержке не предусматривается, так что для нее это событие тоже может рассматриваться как первоначальное включение. В спецификации РС'2001 выдвигается требование к BIOS поддержки USB в такой мере, чтобы обеспечивалась загрузка ОС с устройств USB. USB поддерживает динамическое подключение и отключение устройств.

Нумерация (перенумерация) устройств шины идет постоянно, отслеживая изменения физической топологии.

Все устройства подключаются через порты хабов. Хабы определяют подключение и отключение устройств к своим портам и сообщают состояние портов при запросе от контроллера. Хост разрешает работу порта и адресуется к устройству через канал управления, используя нулевой адрес — USB Default Address. При начальном подключении или после сброса все устройства адресуются именно так.

Хост определяет, является новое подключенное устройство хабом или функцией, и назначает ему уникальный адрес USB. Хост создает канал управления (control pipe) с этим устройством, используя назначенный адрес и нулевой номер точки назначения.

Если новое устройство является хабом, хост определяет подключенные к нему устройства, назначает им адреса и устанавливает каналы. Если новое устройство является функцией, уведомление о подключении передается диспетчером USB заинтересованному ПО.

Когда устройство отключается, хаб автоматически запрещает соответствующий порт и сообщает об отключении контроллеру, Который удаляет сведения о данном устройстве из всех структур данных. Если отключается хаб, процесс удаления выполняется для всех подключенных к нему устройств. Если отключается функция, уведомление посылается заинтересованному ПО.

4.1.7. Применение шины USB

Благодаря своей универсальности и способности эффективно передавать разнородный трафик, шина USB применяется для подключения к PC самых разнообразных устройств. Она призвана заменить традиционные порты PC — СОМ и LPT, а также порты игрового адаптера и интерфейса MIDI. Спецификация USB 2.0 позволяет говорить и о подключении традиционных «клиентов» шин ATA и SCSI, а также захвате части ниши применения шины FireWire. Привлекательность USB придает возможность подключения/отключения устройств на ходу и возможность их использования практически сразу, без перезагрузки ОС. Удобна и возможность подключения большого количества (до 127) устройств к одной шине, правда, при наличии хабов. Хост-контроллер интегрирован в большинство современных системных плат. Выпускаются и карты расширения с контроллерами USB (обычно для шины PCI). Однако повсеместное применение USB сдерживается недостаточной активностью разработчиков ПО (производителей оборудования): просматривая перечни устройств, мы видим, что для всех указывается поддержка в Windows 98/SE/ME, а вот в графах Linux, MacOS, Unix и даже Windows 2000 часто стоят неприятные пометки N/A (Not Allowed — «не дозволено»).

Для того чтобы система USB заработала, необходимо, чтобы были загружены драйверы хост-контроллера (или контроллеров, если их несколько). При подключении устройства к шине USB ОС Windows выдает сообщение «Обнаружено новое устройство» и, если устройство подключается впервые, предлагает загрузить для него драйверы. Многие модели устройств уже известны системе, и драйверы входят в дистрибутив ОС. Однако может потребоваться и драйвер изготовителя устройства, который должен входить в комплект поставки устройства, или его придется искать в Сети. К сожалению, не все драйверы работают корректно — «сырой» драйвер начальной версии, возможно, потребуется заменить более «правильным», чтобы устройство нормально опознавалось и хорошо работало. Но это общее горе пользователей любых устройств, а не только устройств для шины USB. Перечислим основные области применения USB.

♦ Устройства ввода — клавиатуры, мыши, трекболы, планшетные указатели и т.п. Здесь USB предоставляет для различных устройств единый интерфейс. Целесообразность использования USB для клавиатуры неочевидна, хотя в паре с мышью USB (подключаемой к порту хаба, встроенного в клавиатуру) сокращается количество кабелей, тянущихся от системного блока на стол пользователя.

♦ Принтеры. USB 1.1 обеспечивает примерно ту же скорость, что и LPT-порт в режиме ECP, но при использовании USB не возникает проблем с длиной кабеля и подключением нескольких принтеров к одному компьютеру (правда, требуются хабы). USB 2.0 позволит ускорить печать в режиме высокого разрешения за счет сокращения времени на передачу больших массивов данных. Однако есть проблема со старым ПО, которое непосредственно работает с LPT-портом на уровне регистров, — на принтер USB оно печатать не сможет.

♦ Сканеры. Применение USB позволяет отказаться от контроллеров SCSI или от занятия LPT-порта. USB 2.0 при этом позволит еще и повысить скорость передачи данных.

♦ Аудиоустройства — колонки, микрофоны, головные телефоны (наушники). USB позволяет передавать потоки аудиоданных, достаточные для обеспечения самого высокого качества. Передача в цифровом виде от самого источника сигнала (микрофона со встроенным преобразователем и адаптером) до приемника и цифровая обработка в хост-компьютере позволяют избавиться от наводок, свойственных аналоговой передачи аудиосигналов. Использование этих аудио-компонентов позволяет в ряде случаев избавиться от звуковой карты компьютера — аудиокодек (АЦП и ЦАП) выводится за пределы компьютера, а все функции обработки сигналов (микшер, эквалайзер) реализуются центральным процессором чисто программно. Аудиоустройства могут и не иметь собственно колонок и микрофона, а ограничиться преобразователями и стандартными гнездами («Джеками») для подключения обычных аналоговых устройств.

♦ Музыкальные синтезаторы и MIDI-контроллеры с интерфейсом USB. Шина USB позволяет компьютеру обрабатывать потоки множества каналов MIDI (пропускная способность традиционного интерфейса MIDI уже гораздо ниже возможностей компьютера).

♦ Видео- и фотокамеры. USB 1.1 позволяет передавать статические изображения любого разрешения за приемлемое время, а также передавать поток видеоданных (живое видео) с достаточной частотой кадров (25–30 Кбит/с) только с невысоким разрешением или сжатием данных, от которого, естественно, страдает качество изображения. USB 2.0 позволяет передавать поток видеоданных высокого разрешения без сжатия (и потери качества). С интерфейсом USB выпускают как камеры, так и устройства захвата изображения с телевизионного сигнала и TV-тюнеры.

♦ Коммуникации. С интерфейсом USB выпускают разнообразные модемы, включая кабельные и xDSL, адаптеры высокоскоростной инфракрасной связи (IrDA FIR) — шина позволяет преодолеть предел скорости СОМ-порта (115,2 Кбит/с), не повышая загрузку центрального процессора. Выпускаются и сетевые адаптеры Ethernet, подключаемые к компьютеру по USB. Для соединения нескольких компьютеров в локальную сеть выпускаются специальные устройства, выполняющие коммутацию пакетов между компьютерами. Непосредственно (без дополнительных устройств) портами USB соединить между собой даже два компьютера нельзя — на одной шине может присутствовать лишь один хост-контроллер (см. выше). Специальное устройство для связи пары компьютеров выглядит как «таблетка», врезанная в кабель USB с двумя вилками типа «А» на концах. Объединение более двух компьютеров осложняется и топологическими ограничениями USB: длина одного сегмента кабеля не должна превышать 5 м, а использовать хабы для увеличения дальности неэффективно (каждый хаб дает всего 5 м дополнительного удаления).

♦ Преобразователи интерфейсов позволяют через порт USB, имеющийся теперь практически на всех компьютерах, подключать устройства с самыми разнообразными интерфейсами: Centronics и IEEE 1284 (LPT-порты), RS-232C (эмуляция UART 16550A — основы СОМ-портов) и другие последовательные интерфейсы (RS-422, RS-485, V.35…), эмуляторы портов клавиатуры и даже Game-порта, переходники на шину ATA, ISA, PC Card и любые другие, для которых достаточно производительности. Здесь USB становится палочкой-выручалочкой, когда встает проблема 2-го (3-го) LPT- или СОМ-порта в блокнотном ПК и в других ситуациях. При этом ПО преобразователя может обеспечить эмуляцию классического варианта «железа» стандартных портов IBM PC, но только под управлением ОС защищенного режима. Приложение MS-DOS может обращаться к устройствам по адресам ввода-вывода, памяти, прерываниями, каналами DMA, но только из сеанса MS-DOS, открытого в ОС с поддержкой USB (чаще это Windows). При загрузке «голой» MS-DOS «палочка-выручалочка» не работает. Преобразователи интерфейсов позволяют продлить жизнь устройствам с традиционными интерфейсами, изживаемыми из PC спецификациями РС'99 и РС'2001. Скорость передачи данных через конвертер USB — LPT может оказаться даже выше, чем у реального LPT-порта, работающего в режиме SPP.

♦ Устройства хранения — винчестеры, устройства чтения и записи CD и DVD, стриммеры — при использовании USB 1.1 получают скорость передачи, соизмеримую со скоростью их подключения к LPT, но более удобный интерфейс (как аппаратный, так и программный). При переходе на USB 2.0 скорость передачи данных становится соизмеримой с ATA и SCSI, а ограничений по количеству устройств достичь трудно. Особенно интересно использование USB для электронных устройств энергонезависимого хранения (на флэш-памяти) — такой накопитель может быть весьма компактным (размером с брелок для ключей) и емким (пока 16-256 Мбайт, в перспективах — гигабайт и более). Выпускаются устройства для мобильного подключения накопителей с интерфейсом ATA-ATAPI — по сути, это лишь преобразователи интерфейсов, помещенные в коробку-отсек формата 5" или 3,5", а иногда выполненные прямо в корпусе 36-контактного разъема ATA. Имеются и устройства чтения-записи карт SmartMedia Card и CompactFlash Card.

♦ Игровые устройства — джойстики всех видов (от «палочек» до автомобильных рулей), пульты с разнообразными датчиками (непрерывными и дискретными) и исполнительными механизмами (почему бы не сделать кресло автогонщика с вибраторами и качалками?) — подключаются унифицированным способом. При этом исключается ресурсопожирающий интерфейс старого игрового адаптера (упраздненного уже в спецификации РС'99).

♦ Телефоны — аналоговые и цифровые (ISDN). Подключение телефонного аппарата позволяет превратить компьютер в секретаря с функциями автодозвона, автоответчика, охраны и т. п.

♦ Мониторы — здесь шина USB используется для управления параметрами монитора. Монитор сообщает системе свой тип и возможности (параметры синхронизации) — это делалось и без USB по шине DDC. Однако USB-мониторы позволяют системе еще и управлять ими — регулировки яркости, контраста, цветовой температуры и т. п. могут теперь выполняться программно, а не только от кнопок лицевой панели монитора. В мониторы, как правило, встраивают хабы. Это удобно, поскольку настольную периферию не всегда удобно включать в «подстольный» системный блок.

♦ Электронные ключи — устройства с любым уровнем интеллектуальности защиты — могут быть выполнены в корпусе вилок USB. Они гораздо компактнее и мобильнее аналогичных устройств для СОМ- и LPT-портов.

Конечно же, перечисленными классами устройств сфера применения шины USB не ограничивается.

Хабы USB выпускаются как в виде отдельных устройств, так и встраиваются в периферийные устройства (клавиатуры, мониторы). Как правило, хабы питаются от сети переменного тока (они должны питать подключаемые устройства). Выпускают и хабы, устанавливаемые внутрь системного блока компьютера и питающиеся от его блока питания. Такие хабы дешевле внешних и не требуют дополнительной питающей розетки. Один из вариантов исполнения — установка хаба на скобку, монтируемую в окно для дополнительных разъемов. Доступ к их разъемам со «спины» системного блока не очень удобен для пользователей. Другой вариант — хаб, устанавливаемый в 3"-отсек. Его разъемы легкодоступны, индикаторы состояния портов хорошо видны, но не всегда удобны кабели, выходящие с передней панели системного блока. С другой стороны, для подключения электронных ключей (если их приходится часто менять) или миниатюрных накопителей этот вариант — самый удобный.

Недавно появились и новые вспомогательные устройства, увеличивающие дальность связи (distance extender). Это пара устройств, соединяемых между собой обычным кабелем «витая пара» (или оптоволокном), включаемая между периферийным устройством и хабом. «Удлинитель» со стороны периферии может иметь и хаб на несколько портов. К сожалению, увеличение дистанции упирается в ограничения на время задержки сигнала, свойственные протоколу шины USB, и достижимо лишь удаление до 100 м. Но даже и эта длина позволяет расширить сферу применения USB, например для удаленного видеонаблюдения.

4.1.8. Разработка собственных устройств USB

Несмотря на довольно сложный протокол обмена, интерфейсом USB можно снабдить и периферийные устройства собственной разработки. Для этого выпускается широкий ассортимент микросхем, со стороны USB различающихся скоростями обмена (LS, FS или HS), числом и возможностями конечных точек (тип передач, размер буфера). Функциональное назначение этих микросхем различно. С портом USB выпускаются микроконтроллеры на ядре MCS51, М68НС05, М68НС11 или RISC-архитектуры; они различаются объемом памяти (оперативной и энергонезависимой), производительностью, питанием, потреблением. Микроконтроллеры могут иметь встроенные устройства АЦП/ЦАП, дискретные линии ввода-вывода общего назначения, последовательные и параллельные порты различных типов. Их можно использовать для подключения устройств с любыми интерфейсами, сигнальных процессоров и т. п. Из этого ассортимента можно выбрать подходящую микросхему, на базе которой разрабатываемое устройство будет реализовано с минимальным числом дополнительных элементов. К микроконтроллерам прилагаются и средства разработки их встроенного ПО (firmware) — самой сложной части такого устройства. Есть микроконтроллеры с USB, способные работать без программирования энергонезависимой памяти; микроконтроллеры серии EzUSB фирмы Cypress Semiconductor каждый раз загружают свою программу в ОЗУ по шине USB из хост-компьютера в процессе подключения. Конечно, такая гибкость нужна не всегда, и до подключения к компьютеру устройство остается «мертвым».

Есть и периферийные микросхемы — порты USB, подключаемые к микроконтроллерам параллельной 8/16-битной шиной данных с обычным набором управляющих сигналов (CS#, RD#, WR#…), линией запроса прерывания и, возможно, сигналами канала DMA. Выпускаются и специализированные преобразователи интерфейсов USB в последовательный (RS-232, RS-422/485) и параллельный, не требующие программирования (нужно лишь записать в EEPROM идентификатор устройства). Есть и микросхемы USB, сочетающие в себе и функции, и хабы. Все варианты не перечислить, тем более что все время появляются новые микросхемы. Информацию о них можно найти в Сети (www.cypress.com, www.devasys.com, www.iged.com, www.microchip.com, www.netchip.com, www.motorola.com, www.semiconductor.philips.com, www.natsemi.com, www.intel.com, www.ftdichip.com, www.gigatechnology.com).

Немаловажная часть разработки собственных устройств — программное обеспечение для хост-компьютера, которое доносит до пользователя всю пользу устройства. В ряде случаев удается воспользоваться готовыми драйверами (например, драйвером виртуального СОМ-порта для преобразователя интерфейса). В других случаях ПО приходится писать самостоятельно, и хорошо, когда изготовитель микросхем с USB заботится о предоставлении инструментальных средств разработки всех частей ПО.

4.2. Шина IEEE 1394 — FireWire

Стандарт для высокопроизводительной последовательной шины (High Performance Serial Bus), получивший официальное название IEEE 1394, был принят в 1995 году. Целью являлось создание шины, не уступающей параллельным шинам при существенном удешевлении и повышении удобства подключения (за счет перехода на последовательный интерфейс). Стандарт основан на шине FireWire, используемой Apple Computer в качестве дешевой альтернативы SCSI в компьютерах Macintosh и PowerMac. Название FireWire («огненный провод») теперь применяется и к реализациям IEEE 1394, оно сосуществует с кратким обозначением 1394. Другое название того же интерфейса — iLink, а иногда и Digital Link — используется фирмой Sony применительно к устройствам бытовой электроники. MultiMedia Connection — имя, используемое в логотипе 1394 High Performance Serial Bus Trade Association (1394TA).

Стандарт 1394 определяет три возможные частоты передачи сигналов по кабелям: 98,304, 196,608 и 393,216 Мбит/с, которые округляют до 100, 200 и 400 Мбит/с. Частоты в стандарте обозначаются как S100, S200 и S400 соответственно. В последней утвержденной ревизии стандарта, Р1394-2000, новых скоростей (S800, S1600 и S3200) еще не появилось, и сейчас 1394 сосуществует с шиной USB, для которой в спецификации USB 2.0 уже определена скорость 480 Мбит/с.

Основные свойства шины FireWire перечислены ниже.

♦ Многофункциональность. Шина обеспечивает цифровую связь до 63 устройств без применения дополнительной аппаратуры (хабов). Устройства бытовой электроники — цифровые камкордеры (записывающие видеокамеры), камеры для видеоконференций, фотокамеры, приемники кабельного и спутникового телевидения, цифровые видеоплейеры (CD и DVD), акустические системы, цифровые музыкальные инструменты, а также периферийные устройства компьютеров (принтеры, сканеры, устройства дисковой памяти) и сами компьютеры могут объединяться в единую сеть.

♦ Высокая скорость обмена и изохронные передачи. Шина позволяет даже на начальном уровне (S100) передавать одновременно два канала видео (30 кадров в секунду) широковещательного качества и стерео-аудиосигнал с качеством CD.

♦ Низкая цена компонентов и кабеля.

♦ Легкость установки и использования. FireWire расширяет технологию PnP. Система допускает динамическое (горячее) подключение и отключение устройств. Устройства автоматически распознаются и конфигурируются при включении/отключении. Питание от шины (ток до 1,5 А) позволяет подключенным устройствам общаться с системой даже при отключении их питания. Управлять шиной и другими устройствами могут не только PC, но и другие «интеллектуальные» устройства бытовой электроники.

FireWire по инициативе VESA позиционируется как шина «домашней сети», объединяющей всю бытовую и компьютерную технику в единый комплекс. Эта сеть является одноранговой (peer-to-peer), чем существенно отличается от USB.

4.2.1. Физический уровень сети

Кабельная сеть 1394 собирается по простым правилам — все устройства соединяются друг с другом кабелями по любой топологии (древовидной, цепочечной, звездообразной). Каждое «полноразмерное» устройство (узел сети) обычно имеет три равноправных соединительных разъема. Некоторые малогабаритные устройства могут иметь только один разъем, что ограничивает возможные варианты их местоположения. Стандарт допускает и до 27 разъемов на одном устройстве, которое будет играть роль кабельного концентратора. Допускается множество вариантов подключения устройств, но со следующими ограничениями:

♦ между любой парой узлов может быть не более 16 кабельных сегментов;

♦ длина сегмента стандартного кабеля не должна превышать 4,5 м;

♦ суммарная длина кабеля не должна превышать 72 м (применение более качественного кабеля позволяет ослабить влияние этого ограничения);

♦ топология не должна иметь петель, хотя в последующих ревизиях предполагается автоматическое исключение петель в «патологических» конфигурациях.

Стандартный кабель 1394 содержит 6 проводов, заключенных в общий экран, и имеет однотипные 6-контактные разъемы на концах (рис. 4.6, а). Две витые пары используются для передачи сигналов (TPA и TPB) раздельно для приемника и передатчика, два провода задействованы для питания устройств (8-40 В, до 1,5 А). В стандарте предусмотрена гальваническая развязка устройств, для чего используются трансформаторы (напряжение изоляции развязки до 500 В) или конденсаторы (в дешевых устройствах с напряжением развязки до 60 В относительно общего провода). Некоторые бытовые устройства имеют только один 4-контактный разъем меньшего размера (рис. 4.6, б), у которого реализованы только сигнальные цепи. Эти устройства подключаются к шине через специальный переходной кабель только как оконечные (хотя возможно применение специальных адаптеров- разветвителей). В кабелях FireWire сигнальные пары соединяются перекрестно (табл. 4.2), поскольку все порты равноправны.

Рис. 4.6. Разъемы FireWire: а — 6-контактное гнездо, б — 4-контактное гнездо


Таблица 4.2. Соединительные кабели FireWire

Разъем А Провод Разъем Б
4-конт. 6-конт. Цепь Цепь 6-конт. 4-конт.
- 1 Power Белый Power 1  
- 2 GND Черный GND 2  
1 3 TPB- Красный TPA- 5 3
2 4 TPB+ Зеленый TPA+ 6 4
3 5 TPA- Оранжевый TPB- 3 1
4 6 TPA+ Синий TPB+ 4 2
Экран Экран Экран Экран Экран Экран Экран

В грядущей версии, которая пока называется P1394b, предусматриваются и новые варианты среды передачи:

♦ кабель UTP категории 5 со стандартными коннекторами RJ-45 (используются две пары проводов), длина сегмента до 100 м — дешевый вариант для S100;

♦ пластиковое оптоволокно (два волокна POF для небольших расстояний и HPCF для больших дистанций) — дешевый вариант для S200;

♦ многомодовое оптоволокно (два волокна 50 мкм) — более дорогой вариант для будущих скоростей вплоть до S3200.

Каждое устройство, имеющее более одного разъема 1394, является повторителем. Сигнал, обнаруженный на входе приемника с любого разъема, ресинхронизируется по внутреннему тактовому генератору и выводится на передатчики всех остальных разъемов. Таким образом осуществляется доставка сигналов от каждого устройства ко всем остальным и предотвращается накопление «дрожания» (jitter) сигнала, ведущее к потере синхронизации.

Стандарт 1394 определяет две категории шин: кабельные шины и кросс-шины (Backplane). Под кросс-шинами подразумеваются обычно параллельные интерфейсы, объединяющие внутренние подсистемы устройства, подключенного к кабелю 1394. Сеть может состоять из множества шин, соединенных мостами — специальными устройствами, осуществляющими передачу пакетов между шинами, фильтрацию трафика, а для соединения разнородных шин еще и необходимые преобразования интерфейсов. Интерфейсная карта шины FireWire для PC представляет собой мост PCI — 1394. Мостами являются также соединения кабельной шины 1394 с кросс-шинами периферийных устройств. Мосты могут соединять и кабельные шины, что расширяет топологические возможности соединения устройств.

4.2.2. Протокол IEEE 1394

Протокол 1394 реализуется на трех уровнях (рис. 4.7).

♦ Уровень транзакций (Transaction Layer) преобразует пакеты в данные, предоставляемые приложениям, и наоборот. Он реализует протокол запросов-ответов, соответствующий стандарту ISO/IEC 13213:1994 (ANSI/IEEE 1212, редакции 1994 г.) архитектуры регистров управления и состояния CSR (Control and Status Register) для микрокомпьютерных шин (чтение, запись, блокировка). Это облегчает связь шины 1394 со стандартными параллельными шинами.

♦ Уровень связи (Link Layer) из данных физического уровня формирует пакеты и выполняет обратные преобразования. Он обеспечивает обмен узлов датаграммами с подтверждениями. Уровень отвечает за передачу пакетов и управление изохронными передачами.

♦ Физический уровень (Physical Layer) вырабатывает и принимает сигналы шины. Он обеспечивает инициализацию и арбитраж, предполагая, что в любой момент времени работает только один передатчик. Уровень передает потоки данных и уровни сигналов последовательной шины вышестоящему уровню. Между этими уровнями возможна гальваническая развязка, при которой микросхемы физического уровня питаются от шины. Гальваническая развязка необходима для предотвращения паразитных контуров общего провода, которые могут появиться через провода защитного заземления блоков питания.

Рис. 4.7. Трехуровневая структура FireWire

Аппаратная часть FireWire обычно состоит из двух специализированных микросхем — трансиверов физического уровня PHY Transceiver и моста связи с шиной LINK Chip. Связь между ними возможна, например, по интерфейсу IBM-Apple LINK-PHY. Микросхемы уровня связи выполняют все функции своего уровня и часть функций уровня транзакций; остальная часть уровня транзакций выполняется программно.

Для передачи асинхронных сообщений используется 64-битная адресация регистров устройств 1394. В адресе выделяется 16 бит для адресации узлов сети: 6-битное поле идентификатора узла допускает до 63 устройств в каждой шине; 10-битное поле идентификатора шины допускает использование в системе до 1023 шин разного типа (включая внутренние), соединенных мостами. Протокол шины позволяет обращаться к памяти (регистрам) устройств в режиме DMA. В адресном пространстве каждого устройства имеются конфигурационные регистры, в которых содержится вся информация, необходимая для взаимодействия с ним других устройств. Данные передаются пакетами, в начале каждого пакета передаются биты состояния арбитража. Устройство может передавать данные только после успешного прохождения арбитража. Имеются два основных типа передач данных — изохронный, ради которого и строилась шина, и асинхронный. Изохронные передачи обеспечивают гарантированную полосу пропускания и время задержки, асинхронные передачи обеспечивают гарантированную доставку.

Асинхронные сообщения передаются между двумя устройствами. Инициатор посылает запрос требуемому устройству, на который оно сразу (через короткий интервал зазора, в котором шина находится в покое) отвечает подтверждением приема, положительным (ACK) или отрицательным (NACK), если обнаружена ошибка данных. Содержательный ответ на запрос (если требуется) будет передан обратно аналогичным способом (получатель должен послать подтверждение). Если подтверждение ACK не получено, передачи будут повторяться несколько раз до достижения успеха или фиксации ошибки.

Изохронные передачи ведутся широковещательно. В сети может быть организовано до 64 изохронных каналов, и каждый пакет изохронной передачи, кроме собственно данных, несет номер канала. Целостность данных контролируется CRC-кодом. Изохронные передачи всех каналов «слышат» все устройства шины, но из всех пакетов принимают только данные интересующих их каналов. Устройство-источник изохронных данных (камера, приемник, проигрыватель) на этапе конфигурирования получает номер и параметры выделенного ему канала.

Шина поддерживает динамическое реконфигурирование — возможность «горячего» подключения и отключения устройств. Когда устройство включается в сеть, оно широковещательно передает короткий асинхронный пакет самоидентификации. Все уже подключенные устройства, приняв такой пакет, фиксируют появление новичка и выполняют процедуру сброса шины. По сбросу производится определение структуры шины, каждому узлу назначается физический адрес и производится арбитраж мастера циклов, диспетчера изохронных ресурсов и контроллера шины (см. ниже). Через секунду после сброса все ресурсы становятся доступными для последующего использования, и каждое устройство имеет полное представление обо всех подключенных устройствах и их возможностях. Отключение устройства от шины также обнаруживается всеми устройствами. Благодаря наличию линий питания интерфейсная часть устройства может оставаться подключенной к шине даже при отключении питания функциональной части устройства.

Мастер циклов — устройство, посылающее каждые 125 мкс короткие широковещательные пакеты начала циклов. В каждом таком пакете мастер циклов передает значение 32-битного счетчика времени, инкрементируемого с частотой 24,576 МГц, для каждого узла, поддерживающего изохронный обмен. В каждом цикле сначала передается по одному пакету каждого активного изохронного канала, затем на некоторое время зазора шина находится в состоянии покоя. После этого зазора начинается часть цикла, отводящаяся для передачи асинхронных пакетов. Каждое устройство, нуждающееся в асинхронной передаче, в этой части цикла может передать по одному пакету. Устройство, не имеющее пакета для передачи, шину и не занимает. После того как все нуждающиеся устройства передадут по одному пакету, в оставшееся время до конца цикла устройства могут передать и дополнительные пакеты.

Диспетчер изохронных ресурсов — устройство, ведающее распределением номеров каналов и полосы шины для изохронных передач. Диспетчер требуется, когда на шине появляется хоть одно устройство, способное к изохронной передаче. Диспетчер выбирается посредством арбитража из числа устройств, поддерживающих изохронный обмен. После сброса устройства, нуждающиеся в изохронной передаче, запрашивают требуемую полосу. Полоса измеряется в специальных единицах распределения, число которых в 125-микросекундном цикле составляет 6144. Единица занимает около 20 нс, что соответствует времени передачи одного квадлета (quadlet, 32-битное слово) на частоте 1600 Мбит/с. Такой способ измерения полосы учитывает возможность совместной работы устройств с разными скоростями — в одном цикле соседние пакеты могут передаваться на разных скоростях. Как минимум 25 мкс цикла резервируется под асинхронный трафик, поэтому суммарная распределяемая полоса изохронного трафика составляет 4915 единиц. Для цифрового видео, например, требуется полоса 30 Мбит/с (25 Мбит/с на видеоданные и 3–4 Мбит/с на аудиоданные, синхронизацию и заголовки пакетов). В S100 устройства цифрового видео запрашивают около 1800 единиц, в S200 — около 900. Если требуемая полоса недоступна, диспетчер откажет устройству и не выделит ему номер канала. Устройство, не получившее канал, будет периодически повторять запрос. Когда изохронный обмен становится ненужным узлу, он должен освободить свою полосу и номер канала, чтобы этими ресурсами смогли воспользоваться другие устройства. Обмен управляющей информацией устройств с диспетчером производится асинхронными сообщениями.

Контроллер шины (Bus Master) — необязательный элемент сети 1394, который осуществляет управление устройствами. Им может являться компьютер, редактирующее устройство цифровой записи или специальный интеллектуальный пульт управления. Контроллер шины, реализующий карты топологии и скоростей (Topology_Map и Speed_Map), допускает использование нескольких частот в одной шине, в соответствии с возможностями конкретной пары устройств, участвующих в обмене. Иначе при подключении устройств, рассчитанных на разные скорости, все передачи будут происходить на скорости, доступной для всех активных устройств.

4.2.3. Устройства и адаптеры 1394

В PC-совместимом компьютере (в отличие от Macintosh) интерфейс 1394 пока не так распространен, как ставшая уже обязательной шина USB. Адаптеры FireWire чаще всего встречаются в виде карт расширения, но они уже встраиваются в некоторые модели системных плат. Адаптер 1394 для PC является мостом PCI — 1394, поскольку только шина PCI способна пропустить максимальный поток шины FireWire. Микросхемы для FireWire выпускает ряд фирм. Поначалу в основном использовались пары микросхем: LINK chip (микросхема уровня связи) и PHY chip (кристалл физического уровня). Это было связано со сложностью производства высокоскоростных микросхем физического уровня (на уровне связи S400 достигли быстро, а физический уровень на некоторое время «застрял» на S100 и S200). Модернизация такого адаптера сводилась лишь к последующей замене одного компонента. Сейчас применяют и однокристальные решения. Например, микросхема VIA Fire II (VT6306) представляет собой трехпортовый адаптер S400 для шины PCI, поддерживающий и шину Card Bus (для мобильных компьютеров).

Интерфейс 1394 становится общепринятым для современной цифровой бытовой аудио-, видео- и фототехники, которые используют эту шину и без участия компьютера. Кроме цифровых устройств, имеющих встроенные адаптеры 1394, к шине FireWire возможно подключение и традиционных аналоговых и цифровых устройств (плейеры, камеры, мониторы) через адаптеры-преобразователи интерфейсов и сигналов.

С интерфейсом 1394 выпускаются и устройства хранения данных — приводы CD и DVD, AV-диски (винчестеры, оптимизированные для записи и чтения мультимедийных данных). Выпускаются и преобразователи интерфейсов 1394-IDE, оформленные в виде корпусов для стандартных IDE-устройств форматов 5" или 3,5". В эти корпуса можно установить обычные винчестеры, приводы CD и DVD (включая и рекордеры), получая переносные устройства хранения данных. Для ОС и приложений устройства хранения выглядят как SCSI-устройства соответствующих классов. Это обеспечивается протоколом SBP-2 (Serial Bus Protocol), инкапсулирующим пакеты SCSI-3 в пакеты 1394.

4.2.4. Использование 1394

Принципиальным преимуществом шины 1394 является отсутствие необходимости в контроллере. Любое передающее устройство может получить полосу изохронного трафика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления — приемник «услышит» эту информацию. При наличии контроллера соответствующее ПО может управлять работой устройств, реализуя, например, цифровую студию нелинейного видеомонтажа или снабжая требуемыми мультимедийными данными всех заинтересованных потребителей информации.

Для шины 1394 наиболее привлекательна возможность соединения устройств бытовой электроники (имеется в виду пока что не «наш», а «их» быт) в «домашнюю сеть», причем как с использованием PC, так и без. При этом стандартные однотипные кабели и разъемы 1394 заменяют множество разнородных соединений устройств бытовой электроники с PC. Разнотипные цифровые сигналы (сжатые видеосигналы, цифровые аудиосигналы, команды MIDI и управления устройствами, данные) мультиплексируются в одну шину, проходящую по всем помещениям. Используя одни и те же источники данных (приемники вещания, устройства хранения, видеокамеры и т.п.), можно одновременно в разных местах просматривать (прослушивать) разные программы с высоким качеством, обеспечиваемым цифровыми технологиями. Применение компьютера с адаптером 1394 и соответствующим ПО значительно расширяет возможности этой сети. Компьютер становится виртуальным коммутатором домашней аудио-видеостудии. Приложения для аудио- и видеоустройств используют логические «вилки» (plugs) и «розетки» (sockets), которые являются аналогами разъемов, применяемых в обычной аппаратуре. Вилки соответствуют выходам, розетки — входам соответствующих устройств. «Вставляя» эти «вилки» в «розетки» можно собрать требуемую систему. Конечно, для того чтобы она заработала, в устройствах должна быть реализована спецификация Digital Interface for Consumer Electronic Audio/Video Equipment — расширение стандарта IEEE-1394, предложенная DVC (Digital Video Consortium). Co временем она должна стать стандартом ISO/IEC.

Адаптер FireWire, например AHA-8940 фирмы Adaptec, может устанавливаться в любой PC (или Mac), имеющий свободный слот PCI. Для редактирования видео хватает мощности рядового современного ПК (минимальные требования — Pentium 133,32 Мбайт ОЗУ, 256 кбайт кэш, желательно быстрый SCSI-диск).

Поддержка 1394 имеется в ряде ОС, среди которых Windows 98, Windows 95 OSR 2.1 и более новые. Для редактирования аудио-видеофайлов (AVI) применимы, например, пакеты Adobe Premiere, Asymetrix Digital Video Producer, Ulead MediaStudio, MGI Video Wave. Кодек-конвертор цифровых видеоданных (DV), передаваемых по шине 1394, в AVI-файл поставляется фирмой Adaptec.

Одной из проблем цифровой передачи мультимедийной информации является защита авторских прав. Пользователь должен иметь возможность высококачественного воспроизведения принимаемых программ или приобретенных дисков, но их авторы (производители) должны иметь возможность защитить свои права, по своему усмотрению вводя ограничения на цифровое копирование. Для этих целей объединение «5C» (5 компаний: Sony, Matsushita, Intel, Hitachi и Toshiba) разрабатывает спецификацию шифрования данных.

Глава 5 Шина SCSI

Системный интерфейс малых компьютеров SCSI (Small Computer System Interface, произносится «скази») предназначен для соединения устройств различных классов: памяти прямого (жесткие диски) и последовательного доступа (стриммеры), CD-ROM, оптических дисков однократной и многократной записи, устройств автоматической смены носителей информации, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров. Устройством SCSI (SCSI Device) называется как хост-адаптер, связывающий шину SCSI с какой-либо внутренней шиной компьютера, так и контроллер целевого устройства (target controller), с помощью которого устройство подключается к шине SCSI. С точки зрения шины все устройства могут быть равноправными и являться как инициаторами обмена (инициализирующими устройствами, ИУ), так и целевыми устройствами (ЦУ), однако чаще всего в роли ИУ выступает хост-адаптер. Каждое ЦУ может содержать до 8 независимо адресуемых логических устройств (ЛУ) со своими номерами LUN (Logical Unit Number), представляющих ПУ или их части.

Первая версия шины, позже названная SCSI-1, была стандартизована ANSI в 1986 году (X3.131-1986). Это была 8-битная параллельная шина с максимальной частотой переключений[2] 5 МТ/с, допускающая подключение до 8 устройств. Скорость передачи данных достигала 5 Мбайт/с, режим передачи данных — асинхронный, Впоследствии (1991 г.) появилась спецификация SCSI-2 (X3.131-1994), расширяющая возможности шины. Частота переключений шины Fast SCSI-2 достигает 10 MT/с, а Ultra SCSI-2 — 20 МТ/с. Разрядность данных может быть увеличена до 16 бит — эта версия называется Wide SCSI-2 (широкая), а 8-битную версию стали называть Narrow (узкая). 16-битная шина допускает включение 16 устройств. Стандарт SCSI-2 определяет и 32-битную версию интерфейса, которая не получила практического применения. Появился синхронный режим передачи данных, введена дифференциальная версия интерфейса. Спецификация SCSI-2 определяет систему команд, которая включает набор базовых команд CCS (Common Command Set), обязательных для всех ГПУ, и специфических команд для периферии различных классов. Стандарт полностью описывает протокол взаимодействия устройств, включая структуры передаваемой информации. Поддержка устройствами исполнения цепочек команд (до 256 команд) и независимость работы устройств друг от друга обусловливают высокую эффективность применения SCSI в многозадачных системах. Возможность присутствия на шине более одного контроллера (инициатора обмена) Позволяет обеспечить разделение (совместное использование) периферии несколькими компьютерами, подключенными к одной шине. Эти свойства обеспечивают SCSI неоспоримые преимущества перед ATA в качестве интерфейса для мощных систем хранения данных.

Спецификация SCSI-3 — дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств, расширение системы команд и поддержку технологии PnP. В качестве альтернативы параллельному интерфейсу SPI (SCSI-3 Parallel Interface) появляется возможность применения последовательного, в том числе волоконно-оптического интерфейса со скоростью 100 Мбайт/с. Спецификация SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные аспекты интерфейса на уровне физических соединений, транспортных протоколов и наборов команд. Транспортный уровень может использовать различные протоколы с соответствующей поддержкой физических соединений:

♦ SPI (SCSI Parallel Interface) — параллельный интерфейс (разъемы, сигналы);

♦ SIP (SCSI-3 Interlocked Protocol) — протокол обмена традиционного интерфейса, физически реализуемый интерфейсом SPI;

♦ FCP (Fibre Channel Protocol) — протокол оптоволоконного канала с соответствующим физическим уровнем FC-PH со скоростью передачи данных 100 Мбайт/с;

♦ SBP (Serial Bus Protocol) — протокол последовательной шины, реализуемый интерфейсом 1394 (FireWire);

♦ GPP (Generic Packetized Protocol) — обобщенный пакетный протокол, реализуемый любым пакетным интерфейсом;

♦ SSP (Serial Storage Protocol) — последовательный протокол памяти, реализованный на архитектуре последовательной памяти SSA (Serial Storage Architecture).

Ниже описана история развития параллельных интерфейсов в спецификации SCSI-3.

♦ В стандарте SPI (1995 г.) определен P-кабель и коннекторы для широкой шины на одном кабеле с 68-контактными разъемами, называемый «кабелем SCSI-3». SPI определяет скорость Fast SCSI (Fast Wide SCSI со скоростью 20 Мбайт/с). Позже появилось дополнительная спецификация Fast-20, более известная как Ultra SCSI (Ultra Wide SCSI со скоростью 40 Мбайт/с).

♦ В стандарте SPI-2 (1999 г.) снова удвоена частота переключений благодаря использованию интерфейса LVD. Интерфейс Fast-40 SCSI более известен как Ultra2 SCSI (Wide Ultra2 SCSI со скоростью передачи 80 Мбайт/с). Введен разъем SCA-2 (Single Connector Attachment) с возможностью «горячей замены» (hot swap) и 68-контактный разъем с «очень большой» плотностью контактов VHDCI (Very High Density Connector). В стандарт SPI-2 включен и А-кабель SCSI-2, и P-кабель SPI. Это законченный документ, не ссылающийся на предыдущий и описывающий все параллельные интерфейсы SCSI, вплоть до Fast-40.

♦ В стандарте SPI-3 (2000 г.) удвоена частота передачи, но уже за счет двойной синхронизации — интерфейс Fast-80DT (DT — Double Transition), известный как Ultra3 SCSI или Ultra160. Для данного режима рассматривается только широкий (16 бит) вариант. Традиционный (высоковольтный) дифференциальный вариант, а также 32-битная шина с Q-кабелем упразднены. Рассматривается только LVD-интерфейс, синхронизация по фронтам и спадам сигналов REQ#/ACK#, вводится CRC-контроль передач, пакетированные команды и сообщения (Packetized Commands and Messaging) и быстрый арбитраж (Quick Arbitration). Это тоже законченный документ, описывающий все параллельные интерфейсы SCSI вплоть до Fast-80DT и отменяющий HVD, SCAM (SCSI Configured AutoMatically — автоматическое конфигурирование устройств) и 32-битную шину.

♦ В стандарте SPI-4 (2001 г.) снова удваивается частота переключений и получается интерфейс Fast-160DT, уже известный как Ultra320 SCSI (только широкая шина, 320 Мбайт/с).

5.1. Параллельные интерфейсы SCSI

Параллельный интерфейс SCSI существует в нескольких версиях, различающихся разрядностью шины, способами передачи сигналов и синхронизации. Физически «узкий» интерфейс SCSI представляет собой шину, состоящую из 18 сигнальных и нескольких питающих цепей. В «широком» варианте число сигнальных цепей увеличено. Для защиты от помех каждая сигнальная цепь имеет собственный обратный провод. На применяемых двухрядных разъемах контакты сигнальных и обратных цепей располагаются друг против друга. Это позволяет применять в качестве кабелей как витые пары проводов, так и плоские ленточные кабели, где сигнальные и обратные провода чередуются.

По типу сигналов различают линейные (single ended) и дифференциальные (differential) версии SCSI. Их кабели и разъемы идентичны, но электрической совместимости устройств нет.

В широко используемой линейной версии SE (Single Ended) каждый сигнал передается потенциалом с ТТЛ-уровнями относительно общего провода. Здесь общий (обратный) провод для каждого сигнала тоже должен быть отдельным, что снижает перекрестные помехи. В SCSI-1 применяются передатчики с открытым коллектором, приемники на биполярных транзисторах. Высокий уровень при пассивном состоянии передатчиков обеспечивают пассивные терминаторы (см. п. 5.1.2). В SCSI-2 стали применять и передатчики с активным снятием сигнала (active negation). Схема с открытым коллектором для снятия сигнала просто «отпускает» линию, и ее потенциал возвращается в исходное состояние только под действием терминаторов. При активном снятии выходная схема передатчика кратковременно форсирует переход линии к потенциалу пассивного состояния, после чего «отпускает» линию; при этом создается иллюзия возможности работы без терминаторов. В SCSI-3 стандарт SPI предписывает использование интерфейсных схем КМОП (CMOS).

Дифференциальная версия Diff, или HVD, для каждой цепи задействует пару проводников, по которым передается парафазный сигнал. Здесь используются специальные дифференциальные приемопередатчики, применяемые и в интерфейсе RS-485, что позволяет значительно увеличить длину кабеля, сохраняя скорость обмена. Дифференциальный интерфейс применяется в дисковых системах серверов, но в обычных PC не распространен. Интерфейс HVD (но еще с названием Diff) появился в SCSI-2, а в стандарте SPI-3 (SCSI-3 1999 года) он уже упразднен, поскольку скорость Ultra2 и выше он не выдерживает.

Низковольтный дифференциальный интерфейс LVD позволяет работать на частотах 40, 80 и 160 МТ/с в устройствах Ultra2, Ultra160 и Ultra320 SCSI при длине шины 25 м (8 устройств) или 12 м (16 устройств). Устройства LVD совместимы с устройствами SE благодаря возможности их автоматического переконфигурирования (Multimode LVD). Устройства LVD распознают напряжение на линии DIFFSENS и по низкому уровню напряжения на ней способны переключаться из режима LVD (дифференциальный) в SE (линейный). Контакт разъема, на который выводится эта цепь, в устройствах SE заземлен, что и обеспечивает автоматическое «понижение» режима всех устройств шины до SE, если имеется хотя бы одно устройство SE.

Скорость передачи данных определяется частотой переключений сигналов, измеряемой в МТ/с, разрядностью, а в последних версиях и способом синхронизации (одиночная или двойная). Изначально разрядность шины SCSI составляла 8 бит (Narrow), а частота — до 5 МТ/с. Широкий (wide) вариант шины имеет разрядность 16 бит. Комбинации этих параметров обеспечивают широкий диапазон пропускной способности (табл. 5.1), достигающей уже 320 Мбайт/с. В обозначениях пропускной способности интерфейсов встречаются разночтения, здесь приводятся названия, используемые фирмой Western Digital в 2000 году. Fast SCSI означает частоту передач 10 МТ/с, временные диаграммы для такого режима определены в SCSI-2. Краткое название Fast-20 соответствует полному «Fast Wide SCSI» (16 бит, 10 MT/s). Режим Ultra SCSI указывает на частоту передач 20 МТ/с, он определен для параллельного интерфейса в SCSI-3. Краткое название Fast-40 соответствует полному «Wide Ultra SCSI» (16 бит, 20 MT/s). Режим Ultra2 SCSI указывает на частоту передач 40 МТ/с, краткое название Fast-80 соответствует полному «Wide Ultra2 SCSI» (16 бит, 40 MT/s). Этот режим, определенный в SCSI-3, в настоящее время является самым распространенным для новых устройств с параллельной шиной. Он реализован только в низковольтной дифференциальной версии интерфейса — LVD. В SCSI-3 понятие Ultra3 SCSI довольно широкое. Ultra160 SCSI означает скорость 160 Мбайт/с и существует только в «широком» (16 бит) варианте. Здесь применяется синхронизация по обоим фронтам сигнала, а также контроль достоверности передач по CRC-кодам, что позволяет «выжать» из кабеля максимальную скорость передачи (как и в Ultra DMA интерфейса ATA). В 2001 году появился интерфейс Ultra320 SCSI со скоростью 320 Мбайт/с.


Таблица 5.1. Скорость передачи данных (Мбайт/с) по параллельной шине SCSI

Разрядность шины, бит Разновидность
Обычная Fast Fast-20 (Ultra) Fast-40 (Ultra2) Ultra 160 (Ultra3) Ultra 320
8 (Narrow) 5 10 20 40
16 (Wide) 10 20 40 80 160 320

Наиболее популярный интерфейс Ultra2 SCSI обеспечивает хорошее сочетание пропускной способности шины при ее большей длине, цены устройств и совместимости с традиционными устройствами SCSI.

5.1.1. Кабели, разъемы, сигналы

Для параллельного интерфейса характерен плоский или круглый гибкий кабель. Плоский кабель, используется для соединения устройств, расположенных в одном корпусе. На нем может быть наколото несколько разъемов. При необходимости кабели могут сращиваться через специальные переходные разъемы, причем только концевые; T-образные ответвления недопустимы (допускается длина отвода до 10 см, сюда входит длина проводника от ответвления до входа микросхемы приемопередатчика). Круглый кабель, состоящий из витых пар, используется для соединения вне корпусов устройств. ПУ внешнего исполнения обычно имеют два разъема, что позволяет соединить их в цепочку. Длина кабеля зависит от версии интерфейса и частоты (табл. 5.2) При подсчете суммарной длины кабеля следует учитывать возможность использования одного порта хост-адаптера одновременно для внешних и внутренних подключений и, в случае такого подключения, суммировать длины внутренних и внешних кабелей. У всех разъемов кабеля контакты одноименных цепей соединяются «один в один».


Таблица 5.2. Максимальная длина кабелей SCSI

Тип интерфейса Обычный (5 МТ/с) Fast (10 МТ/с) Ultra (20 МТ/с) Ultra2 (40 МТ/с) Ultra160 (80 МТ/с) Ultra320 (160 МТ/с)
Линейный (Single ended) 6 м 3 м 1,5 м (8 устр.), 3 м (4 устр.)
Дифференциальный (HVD) 25 м 12 м (16 устр.), 25 м (8 устр.) 6 м (16 устр.), 25 м (8 устр.)
Дифференциальный, низковольтный (LVD) 12 м (16 устр.), 25 м (8 устр.) 12 м (16 устр.), 25 м (8 устр.) 12 м (16 устр.), 25 м (8 устр.)

В настоящее время ассортимент разъемов, применяемых в устройствах SCSI, довольно широк, что иногда заставляет использовать переходные адаптеры. Разъемы различаются как по числу, так и по форме и размеру контактов (о назначении контактов см; ниже). Практически все разъемы двухрядные, и раскладка цепей рассчитана на чередование сигнальных и обратных проводов. Исключения составляют разъемы DВ-25, у которых число «земляных» контактов меньше, чем сигнальных, и экзотические трехрядные DB-50. Ниже описаны применяемые типы разъемов.

♦ IDC-50 — разъемы для соединения внутренних устройств (аналогичны разъемам ATA, где применяются 40-контактные IDC-40). Разъемы имеют квадратные штырьковые контакты с шагом 0,1" (2,54 мм), пластмассовый корпус, без кожуха и дополнительных фиксаторов (рис. 5.1, а). На устройствах устанавливают вилки (IDC-50M), на ленточных кабелях — розетки (IDC-50F).

♦ СХ-50 — разъемы типа Centronics, аналогичные применяемым в принтерах (но 50-контактные). Разъемы имеют пластинчатые контакты с шагом 0,085" (2,16 мм) и внешний металлический кожух (рис. 5.1, б). Применяются для соединения внешних устройств. На корпусе устройства (и SCSI-адаптера) устанавливают розетки (CX-50F), на кабелях — вилки (СХ-50М). Разъемы фиксируются проволочными скобами, установленными на розетке, входящими в выемки на корпусе вилки. Часто называются «внешними SCSI-1» (SCSI-1 External).

♦ DB-25 — разъемы с круглыми штырьковыми контактами в металлическом кожухе D-образной формы (как на LPT-порте компьютера). На устройстве устанавливается розетка (DB-25F), на кабеле — вилка (DB-25M); фиксация выполняется с помощью винтов (рис. 5.1, в). Применяются на некоторых внешних устройствах (например, Zip).

♦ HD-50, они же MiniD50 (рис. 5.1, г), — разъемы со штырьковыми контактами в металлическом кожухе D-образной формы, с высокой плотностью контактов (High Density) — с шагом 0,05" (1,27 мм). На устройстве устанавливается розетка (HD-50F), на кабеле — вилка (HD-50M); фиксация выполняется с помощью защелок (клипсов). Часто называются «внешними SCSI-2» (SCSI-2 External).

Рис. 5.1. Разъемы 8-битного устройства SCSI: а — IDC-50P, б — CX-50P, в — DB-25P, г — HD-50F

♦ HD-68, они же MiniD68, — аналогичные разъемы, но с 68 контактами. На устройстве устанавливается розетка (HD-68F или MiniD68F), на кабеле — вилка (HD-68M или MiniD68M). Внешние разъемы фиксируются с помощью клипсов или винтов, внутренние — только на трении. Часто называются разъемами SCSI-3, в настоящее время наиболее широко используются для «широкого» интерфейса. На рис. 5.2 показан внешний разъем, слева изображена клипса, справа — резьбовая букса.

Рис. 5.2. Разъемы 16-битного устройства SCSI HD-68F

♦ VHDCI-68 — внешние разъемы с особо высокой плотностью (Very High Density Connector), контакты в стиле Centronics с шагом 0,8 мм. Применяются нечасто, иногда их ошибочно называют разъемами SCSI-4 или SCSI-5.

♦ МСХ (Micro-centronics) — разъемы в стиле Centronics, но в миниатюрном варианте. Наиболее распространены разъемы МСХ-68 и MCX-80 более известные как SCA.

♦ SCA (Single Connector Attachment) — разъем для подключения устройства одним разъемом. Предназначен для подключения дисков, устанавливаемых в шасси с возможностью «горячей» замены (или, по крайней мере, легкой, через лицевую панель). В настоящее время распространена спецификация SCA-2 на разъемах MCX-80 (рис. 5.3). На устройстве устанавливается вилка (MCX-80F), на шасси — розетка (МСХ-80М). Кроме интерфейсных сигналов, на разъем выводятся шины питания, а также сигналы конфигурирования устройства (идентификатор, режимы и т. п.). На боковых направляющих имеются дополнительные контакты заземления. Конфигурационные джамперы устанавливаются не на устройстве, а на шасси (или на плате адаптера).

Рис. 5.3. Разъем устройства SCSI с «горячей» заменой SCA-80

Для версии Narrow SCSI использовались разъемы, изображенные на рис. 5.1, для Wide SCSI — на рис. 5.2. Для устройств с «горячей» заменой применяют миниатюрный D-образный разъем SCA-2, общий для питания и сигнальных цепей (рис. 5.3).

Ассортимент кабелей SCSI довольно широк.

♦ А-кабель. Стандартный для 8-битного интерфейса, 25 пар проводов. Для внутренних устройств используется плоский ленточный кабель, для внешних — круглый кабель, состоящий из 25 витых пар в общем экране:

 • внутренний А-кабель SCSI-1 и SCSI-2 имеет разъемы с низкой плотностью контактов IDC-50 (розетки, см. рис. 5.1, а);

 • внешний А-кабель SCSI-1 имеет разъемы Centronics-50 (CX-50M, см. рис. 5.1, б);

 • внешний А-кабель SCSI-2 имеет разъемы MiniD50M (HD-50M, см. рис. 5.1, в).

♦ B-кабель. Малораспространенный 16/32-битный расширитель SCSI-2.

♦ P-кабель. 8/16-битный кабель с 34 парами проводов, снабжен улучшенными миниатюрными экранированными разъемами. Применяется в интерфейсах SCSI-2/3, в 8-битном варианте контакты 1–5, 31–39, 65–68 не используются:

 • внутренний P-кабель SCSI-3 имеет разъемы HD-68M без фиксаторов;

 • внешний P-кабель SCSI-3 имеет разъемы MiniD68M с фиксаторами;

 • внешний P-кабель SCSI SPI-2 имеет разъемы с особо высокой плотностью VHDCI-68M (иногда такой кабель ошибочно называют кабелем SCSI-4 или SCSI-5).

♦ Q-кабель. 68-проводное расширение до 32 бит, используется в паре с P-кабелем и имеет аналогичную конструкцию. Реально Q-кабель так и не использовался, в спецификации SCSI SPI-3 уже не рассматривается.

♦ Mac SCSI. Кабель с разъемами DB-25P (см. рис. 5.1, г) — 8-битный, стандартный для Macintosh (назначение контактов см. ниже), используется на некоторых внешних устройствах (Iomega ZIP Drive). Встречается иная раскладка цепей, если 25-контактный разъем установлен на хост-адаптере.

Существуют также различные варианты кабелей-переходников (с разнотипными разъемами) и адаптеров. Адаптеры представляют собой печатную плату или монолитную конструкцию с разнотипными разъемами. У адаптеров, соединяющих шины разной ширины, может присутствовать терминатор (должен быть отключаемым!) старшего байта (см. п. 5.1.5). Адаптер подключения SCA к обычной шине имеет стандартный разъем подключения питания, а также набор джамперов, задающих конфигурацию устройства.

Назначение контактов разъемов кабелей приведено в табл. 5.3–5.7. Неудобство вызывает система нумерации контактов, которая различна для внешних и внутренних разъемов. Однако физическая раскладка проводов на разъеме и в плоском кабеле одинакова, сигнальные линии (прямые) перемежаются обратными проводами (заземленными в SE-устройствах).


Таблица 5.3. Разъёмы A-кабеля SCSI

Контакт IDC-50/CX-50 Цепь SE/Diff Контакт IDC-50/CX-50 Цепь
1/1 GND/DB0+ 2/26 DB0#
3/2 GND/DB1+ 4/27 DB1#
5/3 GND/DB2+ 6/28 DB2#
7/4 GND/DB3+ 8/29 DB3#
9/5 GND/DB4+ 10/30 DB4#
11/6 GND/DB5+ 12/31 DB5#
13/7 GND/DB6+ 14/32 DB6#
15/8 GND/DB7+ 16/33 DB7#
17/9 GND/DBP0+ 18/34 DBP0#
19/10 GND/GND 20/35 GND
21/11 GND/GND 22/36 GND
23/12 Резерв 24/37 Резерв
25/13 Свободен 26/38 TERMPWR
27/14 Резерв 28/39 Резерв
29/15 GND 30/40 GND
31/16 GND/ATN+ 32/41 ATN#
33/17 GND 34/42 GND
35/18 GND/BSY+ 36/43 BSY#
37/19 GND/ACK+ 38/44 ACK#
39/20 GND/RST+ 40/45 RST#
41/21 GND/MSG+ 42/46 MSG#
43/22 GND/SEL+ 44/47 SEL#
45/23 GND/C/D+ 46/48 C/D#
47/24 GND/REQ+ 48/49 REQ#
49/25 GND/I/O+ 50/50 I/O#

Таблица 5.4. Разъемы B-кабеля SCSI

Контакт внутр./внешн. Цепь SE/Diff Контакт внутр./внешн. Цепь
1/1 GND 2/35 GND
3/2 GND/DB8+ 4/36 DB8#
5/3 GND/DB9+ 6/37 DB9#
7/4 GND/DB10+ 8/38 DB10#
9/5 GND/DB11+ 10/39 DB11#
11/6 GND/DB12+ 12/40 DB12#
13.07.12 GND/DB13+ 14/41. DB13#
15/8 GND/DB14+ 16/42 DB14#
17/9 GND/DB15+ 18/43 DB15#
19/10 GND/DBP1+ 20/44 DBP1#
21/11 GND/ACKB+ 22/45 ACKB#
23/12 GND/GND 24/46 GND
25/13 GND/REQB+ 26/47 REQB#
27/14 GND/DB16+ 28/48 DB16#
29/15 GND/DB17+ 30/49 DB17#
31/16 GND/DB18+ 32/50 DB18#
33/17 TERMPWR 34/51 TERMPWR
35/18 TERMPWR 36/52 TERMPWR
37/19 GND/DB19+ 38/53 DB19#
39/20 GND/DB20+ 40/54 DB20#
41/21 GND/DB21+ 42/55 DB21#
43/22 GND/DB22+ 44/56 DB22#
45/23 GND/DB23+ 46/57 DB23#
47/24 GND/DBP2+ 48/58 DBP2#
49/25 GND/DB24+ 50/59 DB24#
51/26 GND/DB25+ 52/60 DB25#
53/27 GND/DB26+ 54/61 DB26#
55/28 GND/DB27+ 56/62 DB27#
57/29 GND/DB28+ 58/63 DB28#
59/30 GND/DB29+ 60/64 DB29#
61/31 GND/DB30+ 62/65 DB30#
53/32 GND/DB31+ 64/66 DB31#
65/33 GND/DBP2+ 66/67 DBP2#
67/34 GND/GND 68/68 GND

Таблица 5.5. Разъемы P-кабеля SCSI

Контакт Цепь SE/Diff Контакт Цепь
1 GND/DB12+ 35 DB12#
2 GND/DB13+ 36 DB13#
3 GND/DB14+ 37 DB14#
4 GND/DB15+ 38 DB15#
5 GND/DBP1+ 39 DBP1#
6 GND/DB0+ 40 DB0#
7 GND/DB1+ 41 DB1#
8 GND/DB2+ 42 DB2#
9 GND/DB3+ 43 DB3#
10 GND/DB4+ 44 DB4#
11 GND/DB5+ 45 DB5#
12 GND/DB6+ 46 DB6#
13 GND/DB7+ 47 DB7#
14 GND/DBP0+ 48 DBP0#
15 GND 49 GND
16 DIFFSENS (GND)¹ 50 GND
17 TERMPWR 51 TERMPWR
18 TERMPWR 52 TERMPWR
19 Резерв 53 Резерв
20 GND 54 GND
21 GND/ATN+ 55 ATN#
22 GND/GND 56 GND
23 GND/BSY+ 57 BSY#
24 GND/ACK+ 58 ACK#
25 GND/RST+ 59 RST#
26 GND/MSG+ 60 MSG#
27 GND/SEL+ 61 SEL#
28 GND/C/D+ 62 C/D#
29 GND/REQ+ 63 REQ#
30 GND/I/O+ 64 I/O#
31 GND/DB8+ 65 DB8#
32 GND/DB9+ 66 DB9#
33 GND/DB10+ 67 DB10
34 GND/DB11+ 68 DB11

¹ Сигнал DIFFSENS определен только для интерфейса LVD.


Таблица 5.6. Разъем Mac SCSI (DB-25)

Контакт Цепь Контакт Цепь
1 REQ# 14 GND
2 MSG# 15 C/D#
3 I/O# 16 GND
4 RST# 17 ATN#
5 ACK# 18 GND
6 BSY# 19 SEL#
7 GND 20 DBP0#
8 DB0# 21 DB1#
9 GND 22 DB2#
10 DB3# 23 DB4#
11 DB5# 24 GND
12 DB6# 25 TERMPWR
13 DB7#    

Таблица 5.7. Разъем SCA-80

Контакт Цепь Контакт Цепь SE/Diff
01 12 Volt Charge 41 12V GND
02 12 Volt 42 12V GND
03 12 Volt 43 12V GND
04 12 Volt 44 Mated 1
05 Резерв 45 Резерв
06 Резерв 46 GND
07 DB11# 47 GND/DB11+
08 DB10# 48 GND/DB10+
09 DB9# 49 GND/DB9+
10 DB8# 50 GND/DB8+
11 I/O# 51 GND/I/O+
12 REQ# 52 GND/REQ+
13 C/D# 53 GND/C/D+
14 SEL# 54 GND/SEL+
15 MSG# 55 GND/MSG+
16 RST# 56 GND/RST+
17 ACK# 57 GND/ACK+
18 BSY# 58 GND/BSY+
19 ATN# 59 GND/ATN+
20 DBP0# 60 GND/DBP0+
21 DB7# 61 GND/DB7+
22 DB6# 62 GND/DB6+
23 DB5# 63 GND/DB5+
24 DB4# 64 GND/DB4+
25 DB3# 65 GND/DB3+
26 DB2# 66 GND/DB2+
27 DB1# 67 GND/DB1+
28 DB0# 68 GND/DB0+
29 DBP1# 69 GND/DBP1+
30 DB15# 70 GND/DB15+
31 DB14# 71 GND/DB14+
32 DB13# 72 GND/DB13+
33 DB12# 73 GND/DB12+
34 5 Volt 74 Mated 2
35 5 Volt 75 5V GND
36 5 Volt Charge 76 5V GND
37 Резерв 77 Active LED Out
38 Auto Spin Up 78 Delayed Start
39 SCSI I D 0 79 SCSI I D 1
40 SCSI I D 2 80 SCSI I D 3

5.1.2. Терминаторы

Как было сказано выше, каждая физическая шина SCSI должна оканчиваться терминаторами, устанавливаемыми на обоих ее концах. Терминаторы могут быть как внутренними (установленными внутри контроллеров и периферийных устройств SCSI), так и внешними — маленькими блоками, устанавливаемыми на разъем кабеля или дополнительный разъем последнего устройства. Терминаторы шины SCSI должны выполнить две задачи:

♦ избавить линии шины от отражений сигналов с ее концов;

♦ обеспечить требуемый уровень сигнала пассивных линий.

Первая задача вытекает из того, что шлейф SCSI может иметь довольно большую протяженность, и в терминах теоретических основ электротехники каждая сигнальная линия является «длинной линией». Чтобы сигналы не отражались от концов этой линии, оба конца должны быть нагружены согласованной нагрузкой. Согласованность означает совпадение волнового сопротивления линии с динамическим сопротивлением (импедансом) нагрузки. Волновое сопротивление линий кабельных шлейфов, применяемых в SCSI, обычно лежит в диапазоне 85-110 Ом. Если терминаторов не будет (или импеданс терминатора не совпадает с линией), «звон» отраженных сигналов будет приводить к помехам на шине.

Вторая задача обусловлена спецификой интерфейса SCSI, где каждой сигнальной линией может управлять любое из нескольких устройств, подключенных к шине. Причем устройство, посылающее сигнал, формирует только активный уровень (низкий в недифференциальных версиях SCSI), а возвратить линию в пассивное состояние должны терминаторы. Если нет ни одного терминатора, то уровень на линиях, «отпущенных» устройством, за счет входных токов приемников сигнала тоже будет возвращаться в пассивное состояние, но гораздо медленнее. Если шина достаточно длинная и устройств много, то это возвращение будет слишком запоздалым и может вызвать сбои в протоколе. У высокоскоростных устройств применяется активное возвращение сигналов в пассивное состояние (active negation), от чего возникает иллюзия возможности работы шины без терминаторов. Однако устойчивая работа при большом количестве устройств (более двух на шине, включая контроллер) проблематична.

Из сказанного выше становится понятно, когда пренебрежение правилами установки терминаторов может «сойти с рук»: когда шина не очень длинная, устройств мало (скажем, контроллер и один винчестер), а скорость обмена невелика. Однако на одну шину SCSI чаще устанавливают много устройств, при этом шина получается довольно длинной; устройства стараются использовать на высоких скоростях обмена, да еще и с высокими требованиями к надежности. В иных случаях было бы выгоднее применять устройства с иным интерфейсом — для устройств хранения данных это широко распространенный и дешевый интерфейс ATA.

Рассмотрим, какие бывают терминаторы для наиболее популярных устройств SE и LVD. Многие устройства с интерфейсом LVD способны работать и с интерфейсом SE (но на малых скоростях); их интерфейс обозначается символами «LVD/SE». Режим работы эти устройства способны определять автоматически: если все устройства на шине (включая и терминаторы) «умеют» работать в режиме LVD, то этот режим и будет выбран (если ни на одном из устройств принудительно не установлен режим SE). Если же на шине хоть одно устройство способно только на режим SE, то в этот режим перейдут и все остальные (соответственно, снижая возможную скорость передачи данных). Заметим, что устройства HVD (Diff) в компанию к LVD/SE включать нельзя.

Для режимов SE и LVD различается способ передачи по сигнальным линиям и режим терминации. Каждая сигнальная линия шины SCSI состоит из пары проводов: прямого и обратного. В режиме SE все обратные провода соединяются с «землей» (на каждом устройстве); терминирующие цепи подключаются только к прямым проводам. В режиме LVD по каждой паре проводов сигнал передается в дифференциальной парафазной форме; терминирующие цепи подключаются к обоим проводам каждой пары. Варианты схем терминаторов для SE и LVD приведены на рис. 5.4, где изображены нагрузочные цепи для одной: сигнальной линии. Все терминаторы (не только «активные»!) нуждаются в питании; которое на них поступает по специальным линиям TERMPWR (+5.В).

♦ Пассивные терминаторы SE (рис. 5.4, а) имеют импеданс 132 Ом, что плохо согласуется с ленточным кабелем шины. Эти терминаторы пригодны лишь для «обычного» интерфейса SCSI (скорость передачи до 5/10 Мбайт/с в «узком»/«широком» вариантах). Для Fast SCSI, Ultra SCSI и далее они непригодны.

♦ Активные терминаторы SE (рис. 5.4, б) имеют импеданс 110 Ом, что позволяет их использовать на более высоких скоростях в Fast SCSI,Их «активность» заключается лишь в наличии внутреннего источника опорного напряжения (ИОН) +2,85 В, питающегося от тех же линий TermPWR. Микросхемы активных терминаторов имеют и электронные ключи, включенные последовательно в каждую линию. Ключи управляются общим сигналом, позволяющим включать-отключать терминатор.

♦ Терминаторы FPT SE (Forced Perfect Terminator) — улучшенный вариант активных терминаторов с диодными ограничителями выбросов, применяемые в высокоскоростных версиях SE-интерфейса.

♦ Терминаторы для LVD (рис. 5.4, в) имеют дифференциальной импеданс 105 Ом (линейный — 150 Ом). Здесь два источника опорных напряжений обеспечивают между прямым и обратным проводами смещение 112 мВ (в их пассивном состоянии).

♦ Универсальные терминаторы LVD/SE сочетают в себе активные SE-терминаторы, дифференциальные терминаторы LVD, схему определения режима и цепи коммутации каждого провода (прямого и обратного) шины SCSI на соответствующие терминирующие цепи.

Рис. 5.4. Терминаторы SCSI: а — SE пассивные, б — SE активные, в — LVD

Универсальные терминаторы LVD/SE, как и остальные устройства, определяют режим работы шины по линии DIFSENSE. В старых устройствах SE контакт разъема, соответствующий этой линии, был заземлен. Устройства LVD пытаются вывести на этот контакт потенциал 1,3 В. Устройства HVD на этот контакт выводили потенциал выше 2,1 В. В терминаторе имеются компараторы, сравнивающие сигнал этой линии с эталонами, и логика, переключающая режим терминатора (если обнаруживается HVD, терминатор отключает все свои цепи). Специально для универсальных терминаторов выпускаются микросхемы (например, DS2117М, DS2118М фирмы Dallas Semiconductor), выполняющие все функции автоматической терминации для 9 пар проводов. Для терминации 16-разрядной шины данных (Wide SCSI) и сигналов управления требуется 3 таких микросхемы. В микросхемах используются прецизионные резисторы с лазерной подгонкой, что обходится недешево.

По исполнению терминаторы могут быть как внутренними (размещенными на печатной плате устройства), так и внешними (устанавливаемыми на разъемы кабеля или устройства). Внутренние терминаторы на каждом устройстве могут быть включены или выключены. В старых устройствах (SCSI-1) для включения терминаторов нужно было установить набор перемычек или вставить в специальную кроватку сборку резисторов. Активные терминаторы включаются-выключаются перестановкой одного джампера или даже бесконтактно — программно при конфигурировании устройства. Возможно даже автоматическое включение терминатора (если таковая возможность поддерживается устройством и разрешена при конфигурировании). Внешние терминаторы выглядят как разъемы с небольшой крышкой, под которой смонтирована их «начинка». Несмотря на внешнюю простоту, они имеют ощутимую цену — терминатор для Ultra-Wide SCSI стоит $10–15. Внешние терминаторы устанавливаются и снимаются только вручную.

Внутренние терминаторы или, по крайней мере, панелька для их установки имеются практически во всех устройствах, интерфейс которых не является LVD-интерфейсом. В устройствах с LVD-интерфейсом терминаторы, как правило, отсутствуют в целях экономии: когда на шину устанавливается несколько устройств, терминатор используется лишь в последних. Однако при подключении одного устройства экономия на цене устройства незаметна, а вот расходы на приобретение терминатора вполне очевидны.

ВНИМАНИЕ

Отсутствие терминаторов на устройствах с LVD не означает отказа от правил терминации!

5.1.3. Протокол шины

Назначение сигналов параллельной шины раскрывает табл. 5.8. Все сигналы являются L-активными: активному состоянию и логической единице соответствует низкий потенциал, что в данной книге отмечено символом «#» после мнемоники цепи. Обратные (парафазные) цепи обозначаются знаком «+».


Таблица 5.8. Назначение сигналов шины SCSI

Сигнал Назначение
BSY# Busy — шина занята
SEL# Select — выбор ЦУ инициатором (Select) или инициатора целевым устройством (Reselect)
C/D# Control/Data — управление (низкий уровень)/данные (высокий уровень)
I/O# Input/Output — направление передачи относительно ИУ: вводу в ИУ соответствует низкий уровень. Используется для различия прямой (Select) и обратной (Reselect) выборки: фазе Selection соответствует низкий уровень
MSG# Message — передача сообщения
DB[0:31]# Data Bus — инверсная шина данных
DP[0:3]# Data Parity — инверсные биты паритета, дополняют количество единичных битов байта до нечетного. DP0# относится к DB[0:7], …, DP3# — к DB[24:31]. В фазе арбитража не действуют
TERMPWR Terminator Power — питание терминаторов
ATN# Attention — внимание (намерение ИУ послать сообщение)
REQ# Request — запрос от ЦУ на пересылку данных
ACK# Acknowledge — подтверждение передачи (ответ на REQ#)
RST# Reset — сброд
DIFFSENS Признак дифференциального (LVD) интерфейса: ниже 0,7 В — линейный SE; 0,9–1,9 В — дифференциальный LVD; выше 2,4 В — дифференциальный HVD

Каждое устройство SCSI, подключенное к шине, должно иметь свой уникальный адрес, назначаемый при конфигурировании. Для 8-битной шины диапазон значений адреса 0–7, для 16-битной — 0-15. Адрес задается предварительной установкой переключателей или джамперов. Для хост-адаптера возможно программное конфигурирование. Адресация устройств на шине в фазах выборки осуществляется через идентификатор SCSI ID, представляющий адрес в позиционном коде. Адрес определяет номер той линии шины данных, которая осуществляет выборку данного устройства. Устройство с нулевым адресом выбирается низким уровнем на линии DB0# (SCSI ID=00000001), с адресом 7 — на линии DB7# (SCSI ID=10000000). Для ИУ значение идентификатора определяет приоритет устройства при использовании шины; наибольший приоритет имеет устройство с большим значением адреса. Понятия адрес и идентификатор часто путают, но это всего лишь две различные формы представления одного и того же параметра.

В любой момент обмен информацией по шине может происходить только между парой устройств. Операцию начинает инициатор обмена ИУ (initiator), а целевое устройство ЦУ (target) ее исполняет. ИУ выбирает ЦУ по его идентификатору. Чаще всего роли устройств фиксированы: хост-адаптер является инициатором (ИУ), а периферийное устройство — целевым (ЦУ). Возможны комбинированные устройства, выступающие в роли и ИУ, и ЦУ. В ряде случаев роли устройств меняются: ЦУ может, пройдя фазу арбитража, выполнить обратную выборку (Reselect) ИУ для продолжения прерванной операции. При выполнении команды копирования (Сору) ИУ дает указание ведущему устройству копирования (Copy Master) на обмен данными, который может производиться и с другим ЦУ (для которого ведущее устройство копирования выступит в роли ИУ).

Информация по шине данных передается побайтно (пословно) асинхронно, используя механизм запросов (REQuest) и подтверждений (ACKnowledge). Каждый байт контролируется на нечетность (кроме фазы арбитража), но контроль может быть отключен. Интерфейс имеет возможность синхронной передачи данных, ускоряющей обмен (в SCSI-1 синхронного режима не было).

Шина может находиться в одной из перечисленных ниже фаз. Роли источников сигналов между ИУ и ЦУ описаны в табл. 5.9.


Таблица 5.9. Источники сигналов SCSI

Фаза шины Сигнал
BSY# SEL# REQ#, C/D#, I/O#, MSG# ACK#, ATN# DBx#, DBPx#
Bus Free - - - - -
Arbitration AA1 WA2 - - SID3
Selection I4, T5 I - I I
Reselection I, T T T I T
Command T - T I I
Data IN T - T I T
Data OUT T - T I I
Status T - T I T
Message IN T - T I T
Message OUT T - T I I

1 AA: источник сигнала — устройство, активное в арбитраже;

2 WA: источник сигнала — устройство — победитель в арбитраже;

3 SID: каждое устройство управляет только битом данных, соответствующим значению его SCSI ID;

4 I: источник сигнала — ИУ;

5 T: источник сигнала — ЦУ.


В фазе Bus Free шина находится в состоянии покоя — нет никаких процессов обмена; она готова к арбитражу. Признаком является пассивное состояние линий BSY# и SEL#.

В фазе Arbitration устройство может получить право на управление шиной. Дождавшись покоя шины (Bus Free), устройство вводит сигнал BSY# и свой идентификатор SCSI ID. Если идентификаторы выставили несколько устройств одновременно, то право на управление шиной получает устройство с наибольшим адресом, а остальные устройства отключаются до следующего освобождения шины. Устройство, выигравшее арбитраж, вводит сигнал SEL# и переходит в фазу Selection или Reselection.

В фазе Selection ИУ, выигравшее арбитраж, вводит на шину данных результат логической функции ИЛИ от пары идентификаторов — своего и ЦУ, — сопровождая его битом паритета. Установкой сигнала ATN# ИУ указывает, что следующей фазой будет Message OUT. ИУ снимает сигнал BSY#. Отсутствие сигнала I/O# отличает данную фазу от Reselection. Адресованное ЦУ отвечает сигналом BSY#, если паритет корректный и на шине данных присутствует только пара идентификаторов (его и ИУ). На некорректные значения данных устройства отвечать не должны. Если за заданное время ЦУ не ответило, срабатывает тайм-аут, ИУ освобождает шину или вводит сигнал сброса RST#.

Фаза Reselection аналогична предыдущей, но ее вводит ЦУ. Фаза появляется в том случае, когда ЦУ на время исполнения команды отключалось от шины. По завершении внутренней операции это устройство, выиграв арбитраж, будет вызывать ИУ, которое ранее породило исполнение операции. ЦУ снимает сигнал BSY#, активность сигнала I/O# отличает данную фазу от фазы Selection. Адресованное ИУ отвечает сигналом BSY#, условия ответа и тайм-аут аналогичны предыдущей фазе.

В фазах Command, Data, Status и Message по шине данных передается информация, фазы идентифицируются сигналами MSG#, C/D# и I/O# (табл. 5.10), которыми управляет ЦУ. ИУ может потребовать посылки сообщения (фаза Message OUT) введением сигнала ATN#, а ЦУ может освободить шину, сняв сигналы MSG#, C/D#, I/O# и BSY#.


Таблица 5.10. Информационные фазы SCSI

Сигнал Фаза Направление
MSG# C/D# I/O#
0 0 0 Data OUT I→T
0 0 1 Data IN I←T
0 1 0 Command I→T
0 1 1 Status I←T
1 0 0 Зарезервировано  
1 0 1 Зарезервировано  
1 1 0 Message OUT I→T
1 1 1 Message IN I←T

Временные диаграммы асинхронного обмена приведены на рис. 5.5. Здесь передача каждого байта сопровождается взаимосвязанной парой сигналов REQ#/ACK#. ИУ фиксирует принимаемые данные, получив сигнал REQ# (по отрицательному перепаду). ЦУ считает принимаемые данные действительными по отрицательному перепаду сигнала ACK#. Асинхронный обмен поддерживается всеми устройствами для всех фаз передачи информации.

Рис. 5.5. Временные диаграммы асинхронного обмена (DI — данные от ИУ, DT — данные от ЦУ)

Фазы передачи данных Data OUT и Data IN по предварительной «договоренности» устройств могут выполняться и в синхронном режиме обмена, диаграммы которого приведены на рис. 5.6. При согласовании синхронного режима определяются минимальные длительности и периоды управляющих импульсов ACK# и REQ#, а также допустимое отставание подтверждений от запросов (REQ/ACK offset agreement). ЦУ передает серию данных, сопровождаемых стробами REQ# (рис. 5.6, а), в темпе, ограниченном установленными временными параметрами. ИУ фиксирует принимаемые данные по отрицательному перепаду сигнала REQ#, но отвечать на них сигналом ACK# может с некоторым опозданием. Как только отставание числа принятых сигналов ACK# от числа посланных REQ# достигнет оговоренного предельного значения (в данном примере — 2), ЦУ приостановит обмен до прихода очередного подтверждения ACK#. Операция считается завершенной, когда число принятых подтверждений совпадет с числом посланных запросов. При приеме данных ЦУ механизм согласования остается тем же, но данные фиксируются по отрицательному перепаду сигнала ACK# (рис. 5.6, б).

ВНИМАНИЕ

В спецификации SCSI-1 момент возобновления передачи после устранения отставания описан нечетко, в результате разработчики могли посчитать, что очередной запрос (и данные) может последовать лишь после окончания (положительного перепада) сигнала ACK#. Устройство, на это рассчитанное, может терять данные: для него последний сигнал REQ# (и данные) является неожиданным и выглядит как превышение согласованного смещения.

Рис. 5.6. Временные диаграммы синхронного обмена: а — передача; б — прием

Обмен при разрядности 16 бит происходит аналогично. Если в последней фазе данных используются не все байты, передатчик обязан снабдить корректным битом паритета и неиспользуемые байты.

При описании фаз передачи данных не говорилось о временных задержках. Они определяются спецификацией так, чтобы возможный «перекос» — неодновременный приход сигналов, вызванный задержкой как в электронных схемах, так и в разных проводах кабеля, — не влиял на устойчивость протокола. В асинхронном режиме обмена на скорость передачи информации влияет и длина кабеля, поскольку изменения состояний участников обмена привязываются к сигналам, распространяющимся по кабелю с ограниченной скоростью. Если в широкой шине имеется пара кабелей (А и В, что на практике встречается редко), то в каждом из них используется своя пара управляющих сигналов (REQ#/ACK# и REQB#/ACKB#), поскольку эти кабели могут иметь разную длину.

В фазе Command ЦУ запрашивает от ИУ команду. В фазе Status ЦУ делает запрос на передачу ИУ информации о своем состоянии. В фазах Data IN и Data OUT ЦУ делает запросы на передачу данных к ИУ и от него соответственно. Фазы Message IN и Message OUT служат для передачи сообщений. Фазу Message OUT ЦУ вводит в ответ на условие Attention, порождаемое ИУ сигналом ATN#, когда оно нуждается в посылке сообщения ЦУ. Фазу Message IN ЦУ вводит при необходимости посылки сообщения ИУ.

Между фазами передачи информации сигналы BSY#, SEL#, REQ# и ACK# должны оставаться в неизменном состоянии, меняться могут только значения сигналов C/D#, I/O#, MSG# и шины данных.

Сигналы ATN# и RST# могут порождать условия Attention и Reset соответственно, причем асинхронно по отношению к фазам шины. Эти условия могут привести к изменению предопределенного порядка фаз. Сигнал ATN# вводится ИУ во время любой фазы, кроме арбитража и состояния покоя шины. Сигнал RST# вводится в любой момент любым устройством, и по условию Reset все устройства должны немедленно освободить шину. В зависимости от настройки, принятой для всех устройств конкретной системы, возможно выполнение одного из двух вариантов сброса. «Жесткий» сброс переводит устройства в состояние, принятое по включению питания, сбрасывая все текущие процессы, очереди и т. п. В случае «мягкого» сброса после освобождения шины устройства пытаются завершить начатые операции, сохраняя текущие значения настроек.

Каждый процесс ввода-вывода состоит из следующей последовательности фаз шины: из состояния Bus Free через фазу Arbitration переход к фазе Selection или Reselection. Далее следуют фазы передачи информации (Command, Data, Status, Message), Завершающей фазой является Message In, в которой передается сообщение Disconnect или Command Complete, после чего шина переходит в состояние покоя Bus Free.

Архитектура SCSI обеспечивает для каждого процесса ввода-вывода сохранение набора из трех указателей (saved SCSI pointers): для команды, состояния и данных. ИУ имеет текущий набор указателей (только один), в который копируется сохраненный набор для текущего процесса. Текущие указатели указывают на очередной байт команды, состояния и данных, которые будут передаваться между памятью ИУ и ЦУ. Сохраненные указатели команды и состояния всегда указывают на начала блоков дескрипторов команд и состояния. Сохраненный указатель данных указывает на начало блока данных до тех пор, пока ЦУ не пришлет сообщение Save Data Pointer. По его приему будет сохранен текущий указатель данных. Когда ЦУ отключается от шины, информация о текущем процессе ввода-вывода содержится в сохраненном наборе указателей. При возобновлении процесса ЦУ сообщением Restore Pointers может потребовать у ИУ скопировать сохраненный набор в текущий и продолжить выполнение команд данного процесса ввода-вывода.

ВНИМАНИЕ

Поскольку указатель данных может быть модифицирован ЦУ до завершения ввода-вывода, определение реального количества переданных данных с помощью указателя дает ненадежные результаты.

5.1.4. Конфигурирование устройств

Все устройства на шине должны быть согласованно сконфигурированы. Для них требуется программно или с помощью джамперов установить перечисленные ниже основные параметры.

♦ Идентификатор устройства (SCSI ID) — адрес 0–7 (для Wide SCSI 0-15), уникальный для каждого устройства на шине. Обычно хост-адаптеру, который должен иметь высший приоритет, назначается адрес 7 (15 для Wide SCSI, если все устройства 16-битные). Позиционный код, используемый для адресации, обеспечивает совместимость адресации 8- и 16-битных устройств на одной шине. Ряд версий BIOS считает загрузочным только устройство с SCSI ID=0.

♦ Контроль паритета (SCSI Parity). Если хотя бы одно устройство не поддерживает контроль паритета, он должен быть отключен для всех устройств на шине. Контроль паритета, особенно для дисковых устройств, является необходимым средством защиты от искажения данных при передаче по шине.

♦ Включение терминаторов (Termination). В современных устройствах применяются активные терминаторы, которые могут включаться одним джампером или программно-управляемым сигналом. Терминаторы должны включаться только на крайних устройствах в цепочке. Современные хост-адаптеры позволяют автоматически включать свой терминатор, если они являются крайними, и отключать, если используются внутренний и внешний разъем канала. Это позволяет подключать и отключать внешние устройства, не заботясь о переключении терминаторов. Ранее приходилось открывать корпус и переставлять джампер, а пассивные терминаторы устанавливать в специальные гнезда (и извлекать их оттуда). При отсутствии внутренних терминаторов пользователь был вынужден применять внешние, устанавливаемые на кабель.

ВНИМАНИЕ

Правильная установка терминаторов крайне существенна — отсутствие/избыток терминаторов может привести к неустойчивости или неработоспособности интерфейса.

♦ Питание терминаторов (Terminator power) должно быть включено (джампером или программно) хотя бы на одном устройстве.

♦ Согласование скорости синхронного обмена (SCSI synchronous negotiation). Режим синхронного обмена, обеспечивающий высокую производительность, включается по взаимному согласию устройств. Если хотя бы одно устройство на шине его не поддерживает, рекомендуют запретить согласование на хост-адаптере. Если обмен будет инициирован целевым устройством, поддерживающим синхронный режим, «нормальный» хост-адаптер поддержит этот режим. Целевому устройству можно запретить запрос синхронного режима специальным джампером, который может называться «Enable TI-SDTR» (Target Initiated Synchronous Data Transfer Request Negotiation).

♦ Разрешение отключения (Enable disconnection). Позволяет устройствам отключаться от шины при неготовности данных во время длительных операций с носителем, что весьма эффективно в многозадачном режиме при нескольких ПУ на шине. В случае одного устройства отключение приводит только к дополнительным затратам времени на повторное соединение.

♦ Согласование ширины шины данных тоже выполняется по протоколу шины, исходя из возможностей обоих участников обмена. Целевому устройству можно запретить запрос 16-битного режима специальным джампером, который может называться «Enable TI-WDTR» (Target Initiated Wide Data Transfer Request Negotiation).

♦ Запрет 16-разрядного режима (Disable wide). Позволяет подключить «широкое» устройство к «узкой» шине.

Принудительное переключение в линейный режим (Force SE). Позволяет перевести устройство LVD в режим SE, независимо от состояния линии DIFFSENS.

♦ Запрет синхронизации по обоим фронтам (Disable U160). Позволяет принудительно перевести устройство Ultra3 SCSI в режим Ultra2.

♦ Старт по команде (Start on command), или запрет автоматического запуска шпиндельного двигателя (Disable Auto Spin up). При установке этого параметра запуск двигателя устройства выполняется только по команде от хост-адаптера, что позволяет снизить пик нагрузки блока питания в момент включения. Хост будет запускать устройства последовательно.

♦ Задержанный старт (Delayed Start) в сочетании с джамперами выбора задержки позволяет автоматически запускать двигатель через указанный интервал после подачи питания (разным устройствам задают различные значения задержки).

5.1.5. Подключение устройств к шине

Подключение устройств к шине SCSI относительно несложно, но имеются нюансы при смешении разнотипных устройств на одной шине. Пропускная способность шины SCSI, «освоенная» компьютером, определяется, естественно, возможностями хост-контроллера. Шина SCSI обеспечивает хорошую совместимость устройств с параллельными интерфейсами разных поколений, «узких» и «широких», но зачастую одно старое устройство способно свести на нет мощь новых устройств, подключенных к шине. По типу интерфейса совместимыми являются только SE и LVD.

ВНИМАНИЕ

Смешивать устройства LVD с HVD на одной шине нельзя!

Устройства LVD можно использовать на одной шине с SE, но при этом все устройства перейдут в режим SE, и шина не сможет работать в режиме Ultra2, свойственном устройствам LVD. Интерфейс LVD, являясь дифференциальным, требует, чтобы каждый обратный провод (сигнал +) приходил на вход своего приемника; в версии SE все обратные провода на устройстве соединялись вместе и подключались к шине GND. Если на шине с устройствами LVD имеется хотя бы одно устройство SE, то линия DIFFSENS окажется заземленной и все устройства LVD перейдут в режим SE. При конфигурировании устройство LVD может быть принудительно переведено в режим SE установкой джампера «Force SE».

Если на шине присутствуют устройства Ultra160 и Ultra2 (или еще ниже), то шина будет работать в самом низком из этих режимов. Принудительно запретить режим Ultra160 (понизить до Ultra2) можно джампером «Disable U160».

Подключение «узкого» устройства к «узкой» шине — самая простая задача, поскольку здесь обычно встречаются лишь два типа разъемов (не считая Mac SCSI) — внешний (типа Centronics) и внутренний. Устройства должны быть сконфигурированы (см. выше), каждому должен быть назначен уникальный (на шине) идентификатор SCSI ID, формально — любой в диапазоне 0–7. Длина шины не должна превышать допустимого предела, на обоих концах шины (и только там!) должны быть установлены и включены терминаторы. На линию TERMPWR должно подаваться питание (чаще от хост-адаптера), что можно проверить, замерив напряжение на соответствующих контактах разъема.

Подключение «широкого» устройства к «широкой» шине может оказаться несколько сложнее, поскольку здесь больше разнообразия в разъемах. Из-за этого может потребоваться применение переходных адаптеров от одного типа разъема к другому. Также могут возникнуть сложности с подключением терминаторов, особенно для устройств LVD, среди которых внутренние терминаторы встречаются редко, а внешние могут занимать отдельный разъем на кабеле. Идентификаторы устройств можно задавать в диапазоне 0-15.

Подключение «узкого» устройства к «широкой» шине требует применения переходного адаптера с 68- на 50-контактный разъем. Старший байт в этом адаптере не должен терминироваться, если подключаемое устройство не крайнее на шине. Если же устройство крайнее, то в адаптере старший байт должен терминироваться и на самом устройстве должен быть установлен терминатор. Выбор положения устройства (крайнее или промежуточное) может определяться имеющимся адаптером. Идентификаторы устройств должны устанавливаться в диапазоне 0–7 для всех устройств, поскольку невидимость идентификаторов 8-15 узким устройством не позволит процедуре арбитража работать нормально (см. выше). Поскольку все «узкие» устройства — это SE-устройства, линия DIFFSENS окажется заземленной и все устройства LVD перейдут в режим SE. Существуют, однако, и адаптеры-мосты, при подключении SE-устройства позволяющие остальным находиться в режиме LVD. Определить режим можно, замерив напряжение на 16-м контакте 68-контактного разъема (46-м 80-контактного).

Подключение «широкого» устройства к «узкой» шине также потребует применения специального адаптера, и на «широком» устройстве следует установить джампер «Disable Wide». Дополнительно может потребоваться терминация старшего байта и относящихся к нему управляющих линий, чтобы обеспечить на них надежное пассивное состояние («висящие» входы восприимчивы к помехам). Некоторые версии встроенного микропрограммного обеспечения позволяют работать устройствам и без дополнительных терминаторов. Идентификаторы всех устройств должны быть в диапазоне 0–7 (по тем же соображениям, что и в предыдущем случае).

Рассмотрим различные конфигурации подключения устройств к контроллеру SCSI (рис. 5.7). Контроллер может быть расположен на карте расширения, устанавливаемой в слот PCI или ISA, или же встроен в системную плату. Устройства, подключаемые к нему, могут быть как внутренними (разного рода дисковые и ленточные устройства), так и внешними (те же, а также сканеры и другие периферийные устройства). Терминаторы расставляются исходя из конкретных условий.

Рис. 5.7. Подключение устройств к карте контроллера SCSI: а, в, г — правильно; б — неправильно

Правила подключения достаточно просты:

♦ концы кабельного шлейфа не должны висеть в воздухе (как на рис. 5.7, б);

♦ на устройствах, подключенных к концам шлейфа, должны быть включены внутренние терминаторы (на рисунке обозначено как TRM=ON) или же установлен внешний (рис. 5.7, г);

♦ на промежуточных устройствах терминаторы должны быть отключены (TRM=OFF).

Если контроллер SCSI смонтирован на дополнительной интерфейсной карте, то разъем, к которому подключаются внешние устройства, расположен достаточно близко к внутреннему, так что длинной линии между ними нет. В этом случае терминация внешнего разъема хлопот не доставляет: когда используется только внутреннее (рис. 5.7, а) или только внешнее (рис. 5.7, г) подключение, терминатор на контроллере включают. Когда используется и внешнее, и внутреннее подключение (рис. 5.7, в), терминатор на контроллере отключают.

Если используется внутреннее подключение, а внешние устройства подключаются не все время, то приходится переключать терминатор контроллера в соответствии с текущей конфигурацией. В старых контроллерах приходилось вскрывать системный блок и переставлять джамперы. В новых контроллерах вскрытия не требуется — терминаторы включаются/отключаются программно (утилитой SCSI Setup) или даже автоматически. Если по какой-либо причине переключать терминатор контроллера не хочется, можно его отключить и пользоваться внешним, устанавливая его на внешний разъем (снаружи корпуса компьютера), когда внешние устройства не подключены.

Когда контроллер SCSI установлен на системной плате, он имеет только один разъем, к которому подключается кабель-шлейф. Если требуется только внутреннее или только внешнее подключение (рис. 5.8, а и б), то терминатор на контроллере включают. Если используется и внутреннее, и внешнее подключение (рис. 5.8, в), терминатор на контроллере отключают. Если используется универсальный кабель-шлейф с внутренними и внешним разъемами (как на рис. 5.8, в), но внешних устройств нет, то терминатор на контроллере должен быть отключен, а на внешнем разъеме должен быть установлен внешний терминатор.

Рис. 5.8. Подключение устройств к интегрированному контроллеру SCSI

Кабели и терминаторы могут входить в комплект адаптеров SCSI или системных плат со встроенным контроллером SCSI, а могут приобретаться отдельно. То, что входит в стандартный комплект поставки, не всегда подходит для конкретного применения. Так, например, в комплекте с системной платой CT-6BTS, имеющей контроллер Ultra-Wide SCSI, поставляется универсальный «широкий» (wide) шлейф (как показанный на рис. 5.8, в, но с меньшим количеством внутренних разъемов) и «узкий» внутренний. Для подключения только внутренних дисководов Wide SCSI такого комплекта недостаточно: нужен внешний терминатор! Можно, конечно, отрезать часть шлейфа, идущую от разъема для подключения контроллера к внешнему разъему, но жалко!

Контроллеры Wide SCSI обычно имеют и разъемы для подключения обычных («узких», или narrow) устройств. На той же системной плате CT-6BTS кроме 68-контактного разъема Wide SCSI имеется и 50-контактный — для обычных устройств. Узкий (8-разрядный) интерфейс можно рассматривать как подмножество широкого (16-разрядного), у которого используется только младшая половина шины данных. В простых одноканальных контроллерах (как на этой плате) контакты узкого разъема запараллелены с частью контактов широкого. При этом можно использовать смесь широких и узких устройств, для чего терминаторы на контроллере разделены на две половины: терминаторы младшего байта (TrmL) и старшего байта (TrmH) могут управляться независимо. На рис. 5.9, а и б, приведены корректные способы смешанного подключения (устройства с терминаторами на концах шлейфов подразумеваются). На рис. 5.9, в приведена некорректная схема — здесь в младшем байте и в сигналах управления окажутся три терминатора (перегрузка передатчиков) или «висячий» конец (отражения!). Заметим, что штатными кабелями из комплекта поставки платы (именно они и изображены на рис. 5.9, в) корректно смешанное подключение выполнить нельзя.

Рис. 5.9. Подключение узких и широких устройств SCSI: а, б — правильно; в — неправильно

Если следовать вышеприведенным правилам (и не превышать разрешенную длину и число подключений), то при исправном оборудовании шина SCSI будет работать надежно, как ей и полагается. Если правила нарушать, то возможны варианты. Есть определенные модели контроллеров и устройств, для которых мелкие «шалости» с терминаторами «сойдут с рук». Так, например, может быть прощен (или почти прощен) висящий конец без терминатора (если он не очень длинный). Устройства могут работать (ОС будет загружаться, диски читаться), но, возможно, с не всегда заметными сбоями. Правда, если используется ОС Windows NT, то заглянув в журнал регистрации событий (Event Log), можно увидеть «букет» красных фонариков, связанных с устройствами SCSI. «Пышность» этого букета будет зависеть от тяжести нарушений и «норова» используемых устройств. Есть модели, придерживающиеся «строгих правил», и при нарушении терминации устройства работать вообще не будут. Как поступать в каждом конкретном случае, наверное, дело инсталлятора — на «лишний» терминатор или кабель другой конфигурации может просто не хватить денег. Но теория, увы, такова.

5.2. Интерфейс Fibre Channel

Кроме параллельного интерфейса, SCSI-3 может использовать и последовательный интерфейс Fibre (Fiber) Channel, или FCAL (Fibre Channel Arbitrated Loop — кольцо волоконного канала с арбитражем), который занимает промежуточное положение между интерфейсами периферийных устройств (SCSI-3) и технологиями локальных сетей. Этот интерфейс может иметь как электрическую (коаксиальный кабель), так и оптоволоконную реализацию. В обоих случаях частота 1 ГГц обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбайт/с. Медный кабель допускает длину шины до 30 м, оптический — до 10 км. Здесь используется иной протокольный и физический уровни интерфейса и имеется возможность подключения к шине до 126 устройств (а не 8 или 16, как для параллельного интерфейса). Для двухточечного соединения возможен полнодуплексный режим (200 Мбайт/с), что невозможно в обычных параллельных шинах. Недавно фирма Adaptec выпустила адаптер со скоростью 2 Гбит/с (и оптика, и медь), обратно совместимый с обычным (1 Гбит/с). В полнодуплексном режиме достигается суммарная пропускная способность 400 Мбайт/с. В кольцо может объединяться до 126 узлов, длина кольца может достигать 10 км. По организации кольцо напоминает FDDI — все узлы собираются в замкнутую цепочку и транслируют приходящие кадры дальше по кольцу. Синхронизация передатчика каждого узла автономна, а для компенсации расхождения частот синхронизации используются межкадровые слова-заполнители, часть из которых может периодически отбрасываться или вводиться дополнительно при трансляции. Для обеспечения надежной передачи применяется кодирование 8В/10B, для скорости 100 Мбайт/с с учетом накладных расходов на обрамление кадров требуется битовая скорость в линии 1,0625 Гбит/с. Архитектурная модель FCAL состоит из пяти уровней FC-0…FC-4, нижний (FC-0) определяет среду передачи (оптоволокно или твинаксиальный кабель) и физический интерфейс. Верхний уровень (FC-4) определяет протоколы отображения, относящиеся как к интерфейсам периферийных устройств (SCSI и некоторые другие), так и к сетям (802.2 и IP). Информация по кольцу передается кадрами размером 36-2148 байт. Обмен данными между устройствами возможен как с установлением соединений, так и без них. Одновременно может быть открыто множество соединений, причем относящихся к разным протоколам (например, SCSI и IP). Аппаратура Fibre Channel включает интерфейсные адаптеры, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы. Интерфейсные адаптеры представляют собой карты для компьютеров (для высокопроизводительных шин, например PCI). С интерфейсом FCAL выпускаются устройства хранения данных (дисковые и ленточные накопители, массивы накопителей). Концентраторы для FCAL в принципе необязательны, но они позволяют организовать кольцо на звездообразной топологии и обеспечить обход отказавших (отключенных) узлов — без них кольцо становится уязвимым при отказе линии или устройства. Коммутаторы (как, например, в технологии Ethernet) позволяют для группы подключенных устройств организовывать соединения «каждый с каждым», что эффективно, например, в случае разделения (совместного использования) несколькими серверами нескольких устройств хранения. Маршрутизаторы или мосты позволяют соединять FCAL с другими средами передачи информации (например, с классическим интерфейсом SCSI или со средами локальных сетей). В настоящее время FCAL применяется для подключения устройств внешней памяти к серверам, когда требуется высокая производительность и значительное удаление устройств друг от друга. В принципе, FCAL позволяет организовывать разделение ресурсов, обеспечивая и резервирование линий связи, но здесь пока имеются сложности на уровне операционных систем.

5.3. Хост-адаптер SCSI

Хост-адаптер является важнейшим узлом интерфейса, определяющим производительность системы SCSI. В его задачу входит передача данных между хостом (программой, исполняемой центральным процессором) и другими устройствами, подключенными к шине, по протоколам вышеописанных физических интерфейсов. Структуры передаваемых блоков данных и команды устройств стандартизованы, их описание приводится в литературе [4, 9]. Однако архитектуры и программные модели адаптеров не стандартизованы (в отличие, например, от адаптеров ATА). Существует широкий спектр адаптеров, к простейшим можно подключать только устройства, некритичные к производительности. Такие адаптеры могут входить, например, в комплект поставки сканеров, а подключение к ним диска может оказаться невозможным. Высокопроизводительные адаптеры имеют собственный специализированный процессор, большой объем буферной памяти и используют высокоэффективные режимы прямого управления шиной для доступа к памяти компьютера. Адаптеры SCSI существуют для всех шин расширения (ISA, EISA, MCA, PCI, VLB, PCMCIA, CardBus), шин USB и FireWire и для LPT-порта. Ряд системных плат имеют встроенный SCSI-адаптер, подключенный к одной из локальных шин. При выборе интерфейса, к которому подключается хост-адаптер, учитывайте производительность — интерфейс не должен стать узким местом при обмене с высокопроизводительными устройствами SCSI. Наибольшую эффективность имеют хост-адаптеры для шины PCI. Конечно, за мощный адаптер для сервера приходится платить — его цена может превышать цену рядового настольного компьютера. Еще дороже хост-адаптеры с встроенными контроллерами RAID-массивов, которые содержат мощный RISC-процессор и большой объем локальной памяти.

Конфигурирование хост-адаптеров с точки зрения шины SCSI не отличается от конфигурирования других устройств. Для современных адаптеров вместо джамперов используется программное конфигурирование. Утилита конфигурирования обычно входит в расширение BIOS, установленное на плате адаптера, и приглашение к ее вызову выводится на экран во время теста POST.

Как и всякая карта расширения, хост-адаптер должен быть сконфигурирован с точки зрения шины расширения, к которой он подключается. Системные ресурсы для шинного SCSI-адаптера включают:

♦ область памяти для расширения ROM BIOS, необходимого для поддержки конфигурирования устройств и дисковых функций (если в системе установлено несколько однотипных хост-адаптеров, для них используется ROM BIOS с одного адаптера, а разнотипные хост-адаптеры не всегда могут работать вместе);

♦ область разделяемой буферной памяти;

♦ область портов ввода-вывода (I/O port);

♦ IRQ — запрос прерывания;

♦ DMA — канал прямого доступ к памяти (для шин ISA/EISA), часто используемый для захвата управления шиной (bus mastering).

Всем устройствам SCSI, в том числе и хост-адаптеру, требуются специальные драйверы. Базовый драйвер дисковых устройств входит в BIOS хост-адаптера; он обычно эмулирует трехмерную адресацию дискового сервиса Int 13h. Расширения, например ASPI (Advanced SCSI Programming Interface), загружаются отдельно. От драйверов сильно зависит производительность устройств SCSI. «Умное» ПО способно эффективно загружать работой устройства, а иногда и «срезать углы» — выполнять копирование данных между устройствами без выхода на системную шину компьютера. Наиболее предпочтительны драйверы, работающие в режиме прямого управления шиной (bus mastering); их применение позволяет реализовать все преимущества SCSI в многозадачных системах.

5.4. Управление интерфейсом и выполнение команд

Для управления интерфейсом служит система сообщений — Message System, которыми обмениваются ИУ и ЦУ. Обмен происходит в фазах Message IN/OUT (см. выше), в одной фазе может передаваться несколько сообщений.

С помощью сообщений согласуются параметры синхронного режима и разрядность данных. Процесс согласования синхронного обмена называется Synchronous Negotiation. Устройство, запрашивающее синхронный обмен, посылает сообщение Synchronous Data Transfer Request с указанием допустимого периода цикла и отставания REQ/ACK. Если другой участник обмена поддерживает синхронный режим, он предложит свои параметры. Согласованными параметрами будут максимальный период и минимальное отставание (нулевое отставание эквивалентно асинхронному режиму). Выбранный режим будет относиться только к фазам передачи между данной парой устройств. Отвергнутое сообщение является требованием асинхронного режима. Поскольку старые хост-адаптеры не поддерживали согласование синхронного режима, на ЦУ запрос синхронного режима может быть заблокирован. О возможности работы в синхронном режиме хост может узнать, послав команды Request Sense и Inquiry.

Разрядность передач согласуется аналогично посредством сообщений Wide Data Transfer Request. Согласованные режимы будут действовать до сброса устройств по сообщению Bus Device Reset или «жесткого» сброса, что приведет к установке предопределенных режимов по включению. Согласование режимов не должно инициироваться в каждом процессе, поскольку затраты времени на эту процедуру сводят на нет выигрыш в производительности.

Система команд SCSI включает общие команды, применимые для устройств всех классов, и специфические для каждого класса. Любое SCSI-устройство должно поддерживать обязательные команды общего набора и своего класса, чем обеспечивается высокий уровень совместимости. Команда передается ИУ в ЦУ через блок дескриптора команды (command descriptor block), посылаемый в фазе Command. Некоторые команды сопровождаются блоком параметров, следующим за блоком дескриптора в фазе Data. Форматы блоков стандартизованы; длина блока, определяемая кодом операции (первым байтом блока), может составлять б, 10 или 12 байт.

Рассмотрим процесс на шине SCSI на примере одиночной команды чтения Read. ИУ имеет активный набор указателей и несколько сохраненных наборов, по одному на каждый из допустимого числа одновременных конкурирующих процессов. ИУ восстанавливает указатели процесса в активный набор и, выиграв арбитраж, выбирает ЦУ. Как только ЦУ выбрано, оно берет на себя управление процессом. В фазе Selection ИУ вводит сигнал ATN#, сообщая о намерении послать сообщение Identify с указанием адресуемого ЛУ. ЦУ переходит в фазу Command и принимает блок дескриптора команды Read. Интерпретировав команду, ЦУ переходит в фазу Data IN, передает запрошенные данные, затем переводится в фазу Status и посылает состояние Good. Затем в фазе Message IN устройство посылает сообщение Command Complete, после чего освобождает шину (фаза Bus Free). Процесс завершен.

Рассмотрим тот же пример, но при условии отключения от шины (Disconnect) в процессе выполнения команды. Если устройство, получив команду Read, определит, что для получения затребованных данных необходимо много времени, оно освободит шину, послав сообщение Disconnect. Как только требуемые данные готовы в ЦУ, оно, выиграв арбитраж, выберет ИУ (в фазе Reselect) и в фазе Message IN пошлет ему сообщение Identify. ИУ вернет соответствующий набор указателей в активное состояние и продолжит выполнение процесса, как описано выше. Если ЦУ хочет отсоединиться, когда часть данных уже передана (например, головка диска дошла до конца цилиндра и требуется время на позиционирование), оно посылает сообщение Save Data Pointer, а затем — Disconnect. После повторного соединения передача данных возобновится с точки, определенной последним сохраненным значением указателя. Если произошла ошибка или исключение, ЦУ может повторить обмен данными, послав сообщение Restore Pointers или отсоединившись без сообщения Save Data Pointers.

Теперь рассмотрим процесс с цепочкой связанных команд. По успешному завершению каждой команды цепочки ЦУ автоматически переходит к исполнению следующей. Все команды цепочки являются частью одного процесса. Команды не являются полностью независимыми — при относительной адресации последний блок, адресованный предыдущей командой, доступен для следующей. Так, например, можно исполнить команду Search Data, по которой на диске будет найден блок, содержащий информацию, совпадающую с эталоном поиска. Связав с ней команду чтения Read, можно прочитать этот блок или блок с указанным смещением относительно найденного. По выполнении связанных команд ЦУ посылает сообщения Linked Command Complete (возможно, с флагом), а ИУ обновляет набор сохраненных указателей, так что они указывают на очередную команду цепочки. Команды в цепочке выполняются как одиночные, но с возможностью относительной адресации.

Команды могут исполняться с использованием очередей. ЦУ могут поддерживать немаркированные и маркированные очереди. Поддержка немаркированных очередей, определенная еще в SCSI-1, позволяет любому ЛУ (LUN) или целевой программе, занятым процессом от одного ИУ, принимать команды (начинать процесс) с другими ИУ.

Маркированные очереди (tagged queue) определены в SCSI-2 для ЛУ. Для каждой связи I_T_L (ИУ-ЦУ-ЛУ) существует своя очередь размером до 256 процессов. Каждый процесс, использующий маркированные очереди, идентифицируется связью I_T_L_Q, где Q — однобайтный тег очереди (queue tag). Теги процессам назначаются ИУ, их значения на порядок выполнения операций не влияют.

Постановка в очередь выполняется через механизм сообщений, при этом очередной процесс можно поставить в очередь «по-честному», а можно «пропихнуть» вне очереди: процесс, поставленный в очередь с сообщением Head Of Queue Tag, будет выполняться сразу после завершения текущего активного процесса. Процессы, поставленные в очередь с сообщением Simple Queue Tag, исполняются ЦУ в порядке, который оно сочтет оптимальным. Процесс, поставленный в очередь с сообщением Ordered Queue Tag, будет исполняться последним. ИУ может удалить процесс из очереди, сославшись на него по тегу. Изменение порядка выполнения команд ЦУ не касается порядка в цепочке команд, поскольку цепочка принадлежит одному процессу, а в очередь ставятся именно процессы.

Здесь мы не рассматриваем различные ситуации, приводящие к отклонениям от нормальной последовательности событий интерфейса. К ним относятся некорректные соединения со стороны ИУ, выбор несуществующего ЛУ, неожиданные выборки ИУ, округление параметров, реакция на асинхронные события и т. п.

Глава 6 Шины и карты расширения

Шины расширения (Expansion Bus) являются средствами подключения системного уровня: они позволяют адаптерам и контроллерам непосредственно использовать системные ресурсы PC — пространства памяти и ввода-вывода, прерывания, каналы прямого доступа к памяти. Устройства, подключенные к шинам расширения, могут и сами управлять этими шинами, получая доступ к остальным ресурсам компьютера (обычно к ячейкам памяти). Такое прямое управление (bus mastering) позволяет разгружать центральный процессор и добиваться высоких скоростей обмена данными. Шины расширения механически реализуются в виде слотов (щелевых разъемов) или штырьковых разъемов; для них характерна малая длина проводников, что позволяет достигать высоких частот работы. Эти шины могут и не выводиться на разъемы, но использоваться для подключения устройств в интегрированных системных платах.

В современных компьютерах основной шиной расширения является PCI; ее дополняет порт AGP. Шина ISA из настольных компьютеров уходит, но она сохраняет свои позиции в промышленных и встраиваемых компьютерах, как в традиционном слотовом варианте, так и в «бутербродном» варианте PC/104. В блокнотных компьютерах широко применяются слоты PCMCIA с шинами PC Card и Card Bus. Шина LPC является современным дешевым средством подключения нересурсоемких устройств на системной плате. Все эти шины подробно рассматриваются в данной главе. Информацию по отжившим шинам MCA, EISA, VLB можно найти в литературе [1, 2, 5].

Изготовителям карт расширения приходится точно следовать протоколам шины, включая жесткие частотные и нагрузочные параметры, а также временные диаграммы. Отклонения приводят к несовместимости с некоторыми системными платами. Если при подключении к внешним интерфейсам это ведет к неработоспособности только самого устройства, то некорректное подключение к системной шине может блокировать работу всего компьютера. Следует также учитывать ограниченность ресурсов PC. Самые дефицитные из них — линии запросов прерываний; проблема прерываний, известная по шине ISA, так и не была радикально решена с переходом на PCI. Другой дефицит — каналы прямого доступа шины ISA, используемые и для прямого управления шиной, — в шине PCI преодолен. Доступное адресное пространство памяти и портов ввода-вывода, в котором было тесновато абонентам шины ISA, в PCI существенно расширено. Проблемы распределения ресурсов на шинах решаются по-разному, но чаще всего применяется технология PnP.

В табл. 6.1 дана характеристика стандартных шин расширения PC.


Таблица 6.1. Характеристики шин расширения

Шина Пропускная способность, Мбайт/с¹ Каналы DMA Bus-Master ACFG² Разрядность данных Разрядность адреса Частота, МГЦ
ISA-8 4 3 - - 8 20 8
ISA-16 8 7 + - 16 24 8
LPC 6,7 7 + - 8/16/32 32 33
EISA 33,3 7 + + 32 32 8,33
MCA-16 16 - + + 16 24 10
MCA-32 20 - + + 32 32 10
VLB 132 - (+) - 32/64 32 33-50(66)
PCI 132/264 - + + 32/64 32 33/66
PCI–X 532/1064 - + + 32/64 32/64 33/66
AGP 1x/2x/4x 266/532/1064 - + + 32 32/64 66
PCMCIA 10/20 + - + 8/16 26 10
Card Bus 132 - + + 32 32 33

¹ Указана максимальная пропускная способность. Реальная примерно в 2 раза ниже за счет прерываний, регенерации и протокольных процедур.

² Поддержка автоматического конфигурирования. Для ISA PnP является позднейшей надстройкой, реализуемой адаптерами и ПО.

6.1. Шины ISA, EISA и PC/104

ISA Bus (Industry Standard Architecture) — шина расширения, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промышленным стандартом, В компьютере XT использовалась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса — 20 бит. В компьютерах AT ее расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса. Конструктивно, как показано на рис. 6.1, шина выполнена в виде двух щелевых разъемов с шагом выводов 2,54 мм (0,1 дюйма). В подмножестве ISA-8 используется только 62-контактный слот (ряды А, В), в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот (ряды С, D). Шина PC/104, разработанная для встраиваемых контроллеров на базе PC, отличается от обычной ISA только конструктивно. В шине EISA — дорогом 32-разрядном расширении ISA — используется «двухэтажный» слот, позволяющий устанавливать и обычные карты ISA.

Рис. 6.1. Слот ISA

Для шины ISA выпущено (и продолжает выпускаться) огромное количество разнообразных карт расширения. Ряд фирм выпускает карты-прототипы (Prototype Card), представляющие собой печатные платы полного или уменьшенного формата с крепежной скобой. На платах установлены обязательные интерфейсные цепи — буфер данных, дешифратор адреса и некоторые другие. Остальная часть платы свободна, и здесь разработчик может разместить макетный вариант своего устройства. Эти платы удобны для проверки нового изделия, а также для монтажа единичных экземпляров устройства, когда разработка и изготовление печатной платы нерентабельно.

В каждый момент времени шиной может управлять только одно устройство-задатчик, обращающееся к ресурсам (портам или ячейкам памяти) устройств-исполнителей. Шина ISA обеспечивает возможность обращения к 8- или 16-битным регистрам устройств, отображенным на пространства ввода-вывода и памяти. Диапазон адресов памяти для устройств ограничен областью верхней памяти UMА (А0000-FFFFFh). Для шины ISA-16 настройками CMOS Setup может быть разрешено пространство между 15-м и 16-м мегабайтом памяти (при этом компьютер не сможет использовать более 15 Мбайт ОЗУ). Для шины ISA диапазон адресов ввода-вывода сверху ограничен количеством задействованных для дешифрации бит адреса, нижняя областью адресов 0-FFh недоступна (зарезервирована под устройства системной платы). В PC была принята 10-битная адресация ввода-вывода, при которой линии адреса А[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h–3FFh. Впоследствии стали применять 12-битную адресацию (диапазон 100h-FFFh). При этом приходится учитывать возможность присутствия на шине старых 10-битных адаптеров, которые «отзовутся» на адрес с подходящими ему битами А[9:0] во всей допустимой области 12-битного адреса четыре раза (у каждого 10-битного адреса будет еще по три 12-битных псевдонима). Полный 16-битный адрес используется только в шинах EISA и PCI.

Шина ISA-8 может предоставить до 6 линий запросов прерываний, ISА-16 — 11. Часть из них могут «отобрать» устройства системной платы или шина PCI.

Шина ISA-8 позволяет использовать до трех 8-битных каналов DMA. На 16-битной шине доступны еще три 16-битных и один 8-битный канал.

Все перечисленные ресурсы шины должны быть бесконфликтно распределены. Бесконфликтность подразумевает выполнение перечисленных ниже условий.

♦ Каждое устройство-исполнитель должно управлять шиной данных только при чтении по его адресам или по используемому им каналу DMA. Области адресов, по которым выполняется чтение регистров различных устройств, не должны пересекаться. Поскольку при записи шиной данных управляет лишь текущий задатчик, возможность конфликтов, приводящих к искажениям данных, исключена. «Подсматривать» операции записи, адресованные не данному устройству, не возбраняется.

♦ Назначенную линию IRQx или DRQx устройство должно держать на низком уровне в пассивном состоянии и переводить в высокий уровень для активации запроса. Неиспользуемыми линиями запросов устройство управлять не имеет права, они должны электрически отсоединяться или подключаться к буферу, находящемуся в третьем состоянии. Одной линией запроса может пользоваться только одно устройство. Такая нелепость (с точки зрения схемотехники ТТЛ) была допущена в первых PC и из требований совместимости тиражируется до сих пор.

Задача распределения ресурсов для старых адаптеров решалась с помощью джамперов, затем появились программно конфигурируемые устройства, которые вытесняются автоматически конфигурируемыми платами PnP.

Назначение контактов слотов шин ISA и EISA приведено в табл. 6.2 и 6.3.


Таблица 6.2. Основной разъем шин ISA-8, ISA-16 и EISA

Ряд В Ряд А
GND 1 IOCHK#
Reset 2 SD7
+5 В 3 SD6
IRQ2/9¹ 4 SD5
-5 В 5 SD4
DRQ2 6 SD3
-12 В 7 SD2
0WS#² 8 SD1
+12 В 9 SD0
GND 10 IOCHRDY
SMEMW# 11 AEN
SMEMR# 12 SA19
IOWR# 13 SA18
IORD# 14 SA17
DACK3# 15 SA16
DRQ3 16 SA15
DACK1# 17 SA14
DRQ1 18 SA13
REFRESH# 19 SA12
BCLK 20 SA11
IRQ7 21 SA10
IRQ6 22 SA9
IRQ5 23 SA8
IRQ4 24 SA7
IRQ3 25 SA6
DACK2# 26 SA5
TC 27 SA4
BALE 28 SA3
+5 В 29 SA2
Osc 30 SA1
GND 31 SA0

¹ B4: XT=IRQ2, AT=IRQ9.

² B8: XT-Card Selected.


Таблица 6.3. Дополнительный разъем шин ISA-16 и EISA

Ряд D Ряд С
MEMCS16# 1 SBHE#
IOCS16# 2 LA23
IRQ10 3 LA22
IRQ 11 4 LA21
IRQ12 5 LA20
IRQ 15 6 LA19
IRQ14 7 LA18
DACK0# 8 LA17
DRQ0 9 MEMR#
DACK5# 10 MEMW#
DRQ5 11 SD8
DACK6# 12 SD9
DRQ6 13 SD10
DACK7# 14 SD11
DRQ7 15 SD12
+5 B 16 SD13
MASTER# 17 SD14
GND 18 SD15

Сигналы шины ISA естественны для периферийных микросхем фирмы Intel (в стиле семейства 8080). Набор сигналов ISA-8 предельно прост. Программное обращение к ячейкам памяти и пространства ввода-вывода обеспечивают следующие сигналы.

♦ SD[7:0] — шина данных. Иное название сигналов — Data или D.

♦ SA[19:0] (Addr[19:0], A[19:0]) — шина адреса.

♦ AEN — разрешение адресации портов (запрещает ложную дешифрацию адреса в цикле DMA).

♦ IOW# (IOWC#, IOWR#) — запись в порт.

♦ IOR# (IORC#, IORD#) — чтение порта.

♦ SMEMW# (SMEMWR#, SMWTC#) — запись в системную память (в диапазоне адресов 0-FFFFFh).

♦ SMEMR# (SMEMRD#, SMRDC#) — чтение системной памяти (в диапазоне адресов 0-FFFFFh).

Ниже перечислены сигналы, относящиеся к сигналам запросов прерывания и каналам прямого доступа к памяти.

♦ IRQ2/9, IRQ[3:7] — запросы прерываний. Положительный перепад сигнала вызывает запрос аппаратного прерывания. Для идентификации источника высокий уровень должен сохраняться до подтверждения прерывания процессором, что затрудняет разделение (совместное использование) прерываний. Линия IRQ2/9 в шинах XT вызывает аппаратное прерывание с номером 2, а в AT — с номером 9.

♦ DRQ[1:3] — запросы 8-битных каналов DMA (положительным перепадом).

♦ DACK[1:3]# — подтверждение запросов 8-битных каналов DMA.

♦ TC — признак завершения счетчика циклов DMA.

Шина имеет и несколько служебных сигналов синхронизации, сброса и регенерации памяти, установленной на адаптерах.

♦ IOCHRDY (CHRDY, I/OCHRDY) — готовность устройства, низкий уровень удлиняет текущий цикл (не более 15 икс).

♦ BALE (ALE) — разрешение защелки адреса. После его спада в каждом цикле процессора линии SA[0:19] гарантированно содержат действительный адрес.

♦ REFRESH# (REF#) — цикл регенерации памяти (в XT называется DACK0#). Сигнал появляется каждые 15 мкс, при этом шина адреса указывает на очередную регенерируемую строку памяти.

♦ IOCHK# — контроль канала, низкий уровень вызывает NMI CPU (разрешение и индикация в системных портах 061h, 062h).

♦ RESET (RESDRV, RESETDRV) — сигнал аппаратного сброса (активный уровень — высокий).

♦ BCLK (CLK) — синхронизация шины с частотой около 8 МГц. ПУ могут не использовать этот сигнал, работая только по управляющим сигналам записи и чтения.

♦ OSC — несинхронизированная с шиной частота 14,431818 МГц (использовалась старыми дисплейными адаптерами).

Кроме логических сигналов шина имеет контакты для разводки питания +5, -5, +12 и -12 В.

Дополнительный разъем, расширяющий шину до 16-битной, содержит линии данных, адреса, запросов прерываний и каналов прямого доступа.

♦ SD[15:8] — шина данных.

♦ SBHE# — признак наличия данных на линиях SD[15:8].

♦ LA[23:17] — нефиксированные сигналы адреса, требующие защелкивания по спаду сигнала BALE. Такой способ подачи адреса позволяет сократить задержку. Кроме того, схемы дешифратора адреса памяти плат расширения начинают декодирование несколько раньше спада BALE.

♦ IRQ[10:12], IRQ[14:15] — дополнительные запросы прерываний.

♦ DRQ[5:7] — запросы 16-битных каналов DMA (положительным перепадом).

♦ DACK[5:7]# — подтверждение запросов 16-битных каналов DMA.

♦ DRQ0 и DACK0# — запрос и подтверждение 8-битного канала DMA, освободившегося от регенерации памяти.

Перечисленные ниже сигналы связаны с переключением разрядности данных.

♦ МEMCS16# (M16#) — адресуемое устройство поддерживает 16-битные обращения к памяти.

♦ IOCS16# (I/OCS16#, IO16#) — адресуемое устройство поддерживает 16-битные обращения к портам.

К новым управляющим сигналам относятся следующие.

♦ MEMW# (MWTC#) — запись в память в любой области до 16 Мбайт.

♦ MEMR# (MRDC#) — чтение памяти в любой области до 16 Мбайт.

♦ OWS# (SRDY#, NOWS#, ENDXFR) — укорочение текущего цикла по инициативе адресованного устройства.

♦ MASTER# (MASTER16#) — запрос от устройства, использующего 16-битный канал DMA на управление шиной. При получении подтверждения DACK[5:7] Bus-Master может захватить шину.

В шине EISA на дополнительных контактах слотов (недоступных картам ISA) располагается расширение шин данных и адреса до 32 бит, а также набор сигналов, обеспечивающих передачу данных в синхронном режиме с возможностью пакетных циклов.

6.1.1. Обычная передача данных

Для передачи данных от исполнителя к задатчику предназначены циклы чтения ячейки памяти или порта ввода-вывода, для передачи данных от задатчика к исполнителю — циклы записи ячейки памяти или порта ввода-вывода. В каждом цикле текущий (на время данного цикла) задатчик формирует адрес обращения и управляющие сигналы, а в циклах записи еще и данные на шине. Адресуемое устройство-исполнитель в соответствии с полученными управляющими сигналами принимает (в цикле записи) или формирует (в цикле чтения) данные. Также оно может, при необходимости, управлять длительностью цикла и разрядностью передачи. Обобщенные временные диаграммы циклов чтения или записи памяти или ввода-вывода приведены на рис. 6.2. Здесь условный сигнал CMD* изображает один из следующих сигналов:

♦ SMEMR#, MEMR# — в цикле чтения памяти;

♦ SMEMW#, MEMW# — в цикле записи памяти;

♦ IOR# — в цикле чтения порта ввода-вывода;

♦ IOW# — в цикле записи порта ввода-вывода.

Рис. 6.2. Временные диаграммы циклов чтения или записи на шине ISA

В каждом из рассматриваемых циклов активными (с низким уровнем) могут быть только сигналы лишь из одной строки данного списка, и во время всего цикла сигнал AEN имеет низкий уровень. Цикл прямого доступа к памяти, в котором это правило не соблюдается, рассмотрен ниже, и в таком цикле сигнал AEN будет иметь высокий уровень. Сигналы SMEMR# и SMEMW# вырабатываются из сигналов MEMR# и MEMW# соответственно, когда адрес принадлежит диапазону 0-FFFFFh. Поэтому сигналы SMEMR# и SMEMW# задержаны относительно MEMR# и MEMW# на 5-10 нс.

В начале каждого цикла контроллер шины устанавливает адрес обращения: на линиях SA[19:0] и SBHE# действительный адрес сохраняется на время всего текущего цикла; на линиях LA[23:17] адрес действителен только в начале цикла, так что требуется его «защелкивание». Каждое устройство имеет дешифратор адреса — комбинационную схему, срабатывающую только тогда, когда на шине присутствует адрес, относящийся к данному устройству. В фазе адресации устройства еще «не знают», к какому из пространств (памяти или ввода-вывода) относится выставленный адрес. Но дешифраторы адресов уже срабатывают, и, когда в следующей фазе шина управления сообщает тип операции, адресуемое устройство уже оказывается готовым к ее исполнению. Если устройство использует линии LA[23:17] (они нужны лишь для обращений к памяти выше границы FFFFFh), то они на дешифратор адреса должны проходить через регистр-защелку, «прозрачный» во время действия сигнала BALE и фиксирующий состояние выходов по его спаду. Это позволяет дешифратору, всегда вносящему некоторую задержку, начинать работу раньше, чем поступит управляющий сигнал чтения или записи. При обращении к портам ввода-вывода сигналы LA[32:17] не используются.

Если устройство имеет более одного регистра (ячейки), то для выбора конкретного регистра (ячейки) ему требуется несколько линий адреса. Как правило, старшие биты шины адреса поступают на вход дешифраторов адреса, формирующих сигналы выборки устройств, а младшие биты — на адресные входы самих устройств. Тогда каждое устройство в пространстве будет занимать наиболее компактную область смежных адресов размером в 2n байт, где n — номер младшей линии адреса, поступающей на дешифратор. Из них реально необходимы 2m адресов, где m — номер самой старшей линии адреса, участвующей в выборе регистра устройства. В идеале должно быть n=m+1: при большем значении n отведенное (по дешифратору) пространство адресов не будет использовано полностью и регистры устройства будут повторяться в отведенной области 2n-m-1 раз, то есть у них появятся адреса-псевдонимы (alias). Адреса-псевдонимы будут отличаться от истинного адреса (минимального из всех псевдонимов) на K×2m+1, где K — целое число. Меньшее значение n недопустимо, поскольку тогда не все регистры устройства будут доступны задатчику. В принципе можно использовать дешифратор адреса, срабатывающий только на какой-то части адресов из области 2n (не кратной степени двойки), если устройству требуется «неудобное» количество регистров. Однако на практике «фигурное выпиливание» областей из пространства адресов обычно не делают, так что часть адресов может пропадать бесполезно.

Разрядность данных в каждом цикле обращения определяется потребностями текущего задатчика и возможностями исполнителя. В IBM PC/XT и системная шина, и шина ISA были 8-разрядными, так что вопросов согласования разрядности не возникало. В IBM PC/AT286 (и 386-SX) системная шина уже 16-разрядная, и в современных ПК с 32- и 64-разрядными системными шинами контроллер шины ISA является ее 16-разрядным задатчиком. На системной плате имеется «косой буфер», он же перестановщик байтов, который при необходимости транслирует данные с младшего байта шины на старшую или обратно. Логика управления этим буфером использует сигналы SBHE#, SA0, IOCS16# и MEMCS16#. Поддержка 16-разрядных передач сообщается адресуемым исполнителем сигналами IOCS16# и MEMCS16# при срабатывании его дешифратора адреса. Сигнал IOCS16# влияет только на разрядность обращений к портам, MEMCS16# — к памяти. Все операции обмена (транзакции) начинаются задатчиком единообразно, поскольку он еще не «знает» возможностей исполнителя. Развитие событий зависит от намерений задатчика и полученных сигналов разрешения 16-битных передач. В чисто 16-разрядных машинах начальный адрес однозначно соответствует передаваемому байту или младшему байту передаваемого слова[3]. В машинах с 32-разрядными процессорами начальный адрес, выставляемый на шине в начале транзакции, зависит от разрядности данных, запланированной задатчиком, и может зависеть от положения адресуемых данных относительно границы двойного слова (32 битного). 16-разрядные передачи выполняются за 1 цикл только при условии передачи по четному адресу (A0=0) и при ответе исполнителя сигналом IOCS16# или MEMCS16#, в иных случаях они разбиваются на два цикла. 32-разрядные передачи будут разбиваться на 2 (16+16), 3 (8+16+8) или 4 (8+8+8+8) цикла, в зависимости от возможностей исполнителя и четности адреса. Порядок, в котором передаются байты (во времени), неоднозначен (возможен как инкремент, так и декремент адреса), но в адресном пространстве они раскладываются по своим местам однозначно.

В табл. 6.4 приводятся состояния сигналов шины ISA для различных вариантов записи в порты ввода-вывода, проверенные экспериментальным путем. Вывод 16-разрядных данных выполнялся командой OUT DX, AXDX — адрес порта, в АХ — данные; AL содержит младший байт, АН — старший), вывод 8-разрядных — командой OUT DX, AL. Несколько неожиданные (для автора) варианты 3 и 6 с декрементом адреса, возможно, будут иметь место не на всех системных платах, но их следует иметь в виду при проектировании устройств, претендующих на глобальную совместимость. Правда на практике 16-битных передач по нечетным адресам обычно избегают (даже чисто подсознательно), и побочные эффекты от такого порядка маловероятны.


Таблица 6.4. Состояние сигналов при 8- и 16-битных обращениях к устройству ISA

Сигнал (шина) 1 цикл 2 цикл
1. Вывод 16-разрядных данных в 16-битное устройство по четному адресу
SBHE# L -
SA DX(A0=0) -
D[15:8] АН -
D[7:0] AL -
IOCS16# L -
2. Вывод 16-разрядных данных в 16-битное устройство по нечетному адресу ххх1, ххх5, xxx9, xxxD
SBHE# L H
SA DX(A0=1) DX+1 (A0=0)
D[15:8] AL 0
D[7:0] AL AH
IOCS16# L L
3. Вывод 16-разрядных данных в 16-битное устройство
SBHE# H L
SA DX+1 (A0=0) DX (A0=1)
D[15:8] 0 AL
D[7:0] AH 0
IOCS16# L L
4. Вывод 16-разрядных данных в 8-битное устройство по четному адресу
SBHE# L L
SA[1:0] DX(A0=0) DX+1 (A0=1)
D[15:8] AH AH
D[7:0] AL AH
IOCS16# H H
5. Вывод 16-разрядных данных в 8-битное устройство по нечетному адресу ххх1, ххх5, xxx9, xxxD
SBHE# L H
SA[1:0] DX(A0=1) DX+1 (A0=0)
D[15:8] AL 0
D[7:0] AL AH
IOCS16# H H
6. Вывод 16-разрядных данных в 8-битное устройство по нечетному адресу xxx3, ххх7, xxxB, xxxF
SBHE# H L
SA[1:0] DX+1(A0=0) DX(A0=1)
D[15:8] 0 AL
D[7:0] AH AL
IOCS16# H H
7. Вывод 8-разрядных данных в 16-битное устройство по четному адресу
SBHE# H -
SA[1:0] DX(A0=0) -
D[15:8] 0 -
D[7:0] AL -
IOCS16# L -
8. Вывод 8-разрядных данных в 16-битное устройство по нечетному адресу
SBHE# L -
SA[1:0] DX(A0=1) -
D[15:8] AL -
D[7:0] 0(AL?) -
IOCS16# L -

Момент помещения действительных данных на линии SD[15:0] определяется управляющими сигналами чтения/записи, так что исполнителю не требуется синхронизация с тактовым сигналом шины. В циклах чтения адресованный исполнитель должен выдать данные на шину по началу (спаду) соответствующего сигнала чтения (IOR#, MEMR#, SMEMR#) и удерживать их до конца действия сигнала (пока не произойдет подъем сигнала). В циклах записи задатчик выставляет действительные данные несколько позже начала (спада) сигнала записи (IOW#, MEMW#, SMEMW#). Устройство-исполнитель должно фиксировать для себя эти данные в конце цикла по подъему сигнала записи. От устройства-исполнителя не предусматривается никаких подтверждений исполнения циклов; длительность цикла устанавливает задатчик, но исполнитель может потребовать удлинения или укорочения циклов. С помощью сигнала IOCHRDY исполнитель может удлинить цикл на произвольное число тактов, при этом задатчик будет вводить дополнительные такты ожидания (wait states). Обычно контроллер шины следит за длительностью цикла и по достижении критического времени принудительно его завершает (по тайм-ауту, возможно, и не сообщая об этом событии). Слишком длинные циклы тормозят работу компьютера, а превышение длительности 15 мкс может привести к сбою регенерации и потере данных в ОЗУ. С помощью сигнала 0W# исполнитель предлагает задатчику укоротить цикл, исключив такты ожидания. Реакция задатчика на одновременное использование сигналов IOCHRDY и 0WS# непредсказуема, этой ситуации следует избегать.

ВНИМАНИЕ

Некорректное управление сигналом IOCHRDY (его «залипание» на низком уровне) тормозит работу компьютера.

Номинальная длительность цикла определяется чипсетом и может программироваться в BIOS Setup заданием числа тактов ожидания (wait states). При этом циклы обращения к памяти, как правило, короче циклов обращения к портам ввода-вывода. Для управления длительностью цикла используются также сигналы управления разрядностью передачи: если устройство поддерживает 16-битные передачи, предполагается, что оно может работать с меньшим количеством тактов ожидания. Этим объясняется, что в BIOS Setup длительности циклов ISA задаются раздельно как для памяти и ввода-вывода, так и для 8- и 16-битных операций.

Кроме длительности цикла, устройства могут быть критичны к времени восстановления (recovery time) — длительности пассивного состояния управляющих сигналов чтения-записи между циклами. Этот параметр также может программироваться в BIOS Setup и тоже раздельно для 8- и 16-разрядных операций.

Карты расширения для подключения к шине данных, как правило, используют буферные микросхемы, раздельные для линий SD[7:0] и SD[15:8]. Здесь широко применяются микросхемы 74ALS245 (1533АП6) — 8-разрядные двунаправленные приемопередатчики. Буфер должен открываться сигналом ОЕ# (Output Enable — разрешение выхода), когда на шине адреса присутствует адрес, относящийся к диапазону адресов подключаемого устройства. «Дежурным» является направление передачи «от шины — к устройству»; переключение в обратную сторону производится по сигналу IOR#, если устройство представляет порты ввода-вывода, или MEMRD#, если устройство приписано к пространству памяти. Таким образом, буферы имеют право передавать данные на шину (управлять шиной данных) только во время действия сигнала чтения, относящегося к зоне адресов данного устройства. Карта расширения может являться комбинацией 8- и 16-битных устройств; например, некогда популярные мультикарты содержали 16-битный адаптер ATA и набор 8-битных контроллеров портов COM, LPT, GAME и контроллера НГМД. В таких картах логика управления буферами и сигналами IOCS16# и MSC16# управляется сигналами от дешифратора адреса. Если устройство по данному адресу является 8-разрядным (не формирует сигналы IOCS16# или MSC16#), то оно имеет право разрешать чтение только через буфер линий SD[7:0], а буфер старших линий SD[15:8] (если он имеется на карте) должен быть переведен в третье состояние. Если устройство по данному адресу является 16-разрядным, то оно формирует сигнал IOCS16# или MSC16#, а разрешением буферов управляют сигналы SBHE# и SA0. В этом случае буфер линий SD[7:0] разрешается только при SA0=0, а буфер линий SD[15:8] разрешается только при SBHE#=L. Некорректное разрешение буферов может приводить к их конфликту с перестановщиком байтов системной платы и искажениям данных.

Восьмиразрядные устройства (например, микросхемы 8255, 8250, 8253 и т. п.) следует подключать только к линиям SD[7:0] и при обращении к ним не формировать сигналы IOCS16# или MSC16#. Никакие «косые» буферы (перестановщики байтов) на интерфейсных картах не нужны.

В одном из источников описывается эффект перестановки байтов при обращении к порту ввода-вывода: «Если прочитать слово из порта по четному адресу, значение одно, а если по нечетному — старшие 8 бит предыдущего значения становятся младшими, а старшие нового = FFh». Первые подозрения падают на ошибку в логике управления буферами. На самом деле все объясняется гораздо проще. Пусть имеется устройство с двухбайтным регистром, младший байт которого имеет адрес R0 (четный), старший — R0+1, а по адресу R+2 устройство (и никакие другие) не откликается. Пусть в данный момент в нем записано число AA55h, тогда чтением порта по команде IN AX, R0 получим в регистрах процессора AL=55h, AH=AAh. Теперь если попытаться его «прочитать по нечетному адресу», то есть командой IN АХ, R0+1, то получим AL=AAh (содержимое R0+1, к которому мы на самом деле и адресовались!), a AH=FFh (результат чтения «пустоты»). Так что это не «эффект перестановки», а просто незнание общего правила «интеловской» адресации: адресом слова (двойного, учетверенного…) является адрес его младшего байта. Если в нашем устройстве применяется неполная дешифрация адреса (линия SA1 не используется ни для дешифрации адреса, ни для выбора регистра), то мы увидим полную перестановку байт — в AH=55h, результат чтения R0 по адресу-псевдониму R0+2. Логика работы контроллера шины вместе со всеми буферами делает обращение к любой ячейке памяти или порту инвариантным к способу программной адресации — что закажешь, то и получишь, но требуется учитывать особенности периферийных устройств, у которых в адресации портов нередко встречаются псевдонимы. Адреса-псевдонимы встречаются и в пространстве памяти (например, копии образов BIOS под границей 1-го и 16-го мегабайтами памяти в «классических» PC/AT).

6.1.2. Прямой доступ к памяти — DMA

Прямой доступ к памяти позволяет абоненту шины организовывать обмен данными между своим регистром и памятью под управлением контроллера DMA, минуя центральный процессор. До выполнения обмена канал DMA должен быть инициализирован — задан начальный адрес и размер пересылаемого блока памяти, направление и режим обмена. После инициализации канала обмен выполняется по инициативе ПУ.

Для интерфейса ПУ каждый канал DMA представляется парой сигналов: запрос обмена — DRQx и подтверждение обмена — DACKx#, где x — номер используемого канала. На рис. 6.3 приведена диаграмма стандартного цикла передачи байта (для 8-битного канала) или слова (для 16-битного) от ПУ в память по каналу DMA. Цикл передачи блока байтов или слов в память будет выглядеть следующим образом.

1. По сигналу DRQx контроллер DMA запрашивает управление шиной и дожидается его предоставления процессором (и другими контроллерами шины).

2. Контроллер выставляет адрес ячейки памяти и формирует в одном цикле шины сигналы IOR#, DACKx# и MEMW#. Адрес на всех линиях, включая LA[23:17], действителен во время всего цикла (защелкивание не требуется), BALE=H в течение всего цикла. Сигнал DACKx# указывает на то, что операция выполняется для канала x, a IOR# — на направление в канале (для пересылки из памяти в канал использовался бы сигнал IOW#). Чтобы по сигналу IOR# не было ложного чтения (по IOW# — ложной записи) порта, адрес которого совпадает с адресом памяти, присутствующим в цикле DMA, контроллер высоким уровнем сигнала AEN запрещает портам дешифрацию адреса. Байт, считанный из ПУ, в том же цикле шины записывается в ячейку памяти.

3. Контроллер модифицирует счетчик адреса и повторяет шаги 1–2 для каждого следующего сигнала DRQx, пока не будет исчерпан счетчик циклов. В последнем цикле обмена контроллер формирует общий сигнал окончания TC (Terminate Count), который может быть использован устройством для формирования сигнала аппаратного прерывания.

Рис. 6.3. Цикл обмена DMA

Диаграмма обратной пересылки (из памяти в ПУ) отличается только тем, что на месте сигнала IOR# будет сигнал MEMR#, а на месте MEMW# — сигнал IOW#. Направление обмена и параметры режима задаются программированием контроллера DMA.

Цикл DMA, и так довольно длинный, может быть растянут устройством с помощью сигнала IOCHRDY (но сократить его сигналом 0WS# невозможно). Запрашивать удлинение цикла может только адресованная память — подразумевается, что когда ПУ выставляет запрос DRQx, оно уже должно быть готово к обмену.

На 16-битной шине ISA доступно 7 каналов DMA: четыре 8-битных (номера 0–3) и три 16-битных (5–7), подключенные к первичному и вторичному контроллерам соответственно. Канал 4 используется для каскадирования (соединения контроллеров). На 8-битном слоте доступны только четыре 8-битных канала (в XT только 3 — канал 0 требовался для регенерации памяти).

Кроме приведенного на рисунке режима одиночной передачи возможны и иные, описанные в п. 12.4.

Напомним, что по 8-битным каналам DMA за один сеанс настройки контроллера можно передавать не более 64К байт данных, начинающихся с любого адреса (но не пересекая границ страниц, см. п. 12.3.2 и 12.5). По 16-битным каналам за сеанс можно передавать не более 64К слов данных, начинающихся с четного адреса, и границы страниц иные. Используя DMA в режимах, отличных от одиночного, длительность непрерывной передачи не должна превышать 15 мкс (для обеспечения регенерации памяти).

6.1.3. Прямое управление шиной

В случае прямого управления шиной (bus mastering) инициатором обмена становится контроллер какого-либо устройства или интерфейса, но не процессор и не канал DMA. Прямое управление позволяет контроллеру, не отвлекая центральный процессор, выполнять обмен данными с высокой производительностью и, возможно, по более сложным правилам и без ограничений, присущих каналам DMA (невозможность пересечения границы страницы). Контроллер, как правило, обеспечивает обмен данными между системным ОЗУ и своим периферийным устройством или интерфейсом. В принципе он может общаться с памятью или портами другого абонента шины, но для упрощения организации всех информационных связей центральным «перевалочным пунктом» все-таки является системное ОЗУ. Получить право на управление шиной ISA может только контроллер, подключенный к 16- битному слоту. Для арбитража запросов на управление шиной от нескольких источников — центрального процессора, контроллера DMA и контроллеров- абонентов шины используется второй контроллер DMA (каналы 5–7). Устройство, желающее получить управление, выставляет запрос DRQx (x=5…7), по которому контроллер DMA запрашивает управление шиной у центрального процессора. Получив подтверждение от процессора, контроллер устанавливает сигнал AEN (для блокировки дешифрации адреса портов) и формирует сигнал DACKx. Получив этот сигнал, устройство устанавливает низкий уровень на линии MASTER#, по которому контроллер шины DMA снимает сигнал AEN и освобождает линии командных сигналов. Таким образом, управление шиной переходит к данному устройству до тех пор, пока оно не снимет запрос DRQx. В режиме прямого управления шиной ISA устройство становится полновластным и бесконтрольным хозяином как самой шины, так и системы в целом (через мост шины). Если шина захватывается более чем на 15 мкс, контроллер устройства должен заботиться о регенерации памяти (см. ниже). Устройства (и память), к которым обращается задатчик шины, могут потребовать введения тактов ожидания сигналом IOCHRDY, и это требование должно удовлетворяться.

6.1.4. Регенерация памяти

Динамическая память, применяемая в компьютере в качестве системного ОЗУ, а также, возможно, находящаяся на картах расширения, требует регенерации — периодического обновления (refresh) всех строк матрицы. На системной плате всегда имеется контроллер регенерации памяти, в задачу которого входит регулярный перебор строк памяти с формированием специального цикла регенерации. Каждые 15 мкс контроллер регенерации формирует цикл регенерации (сигнал REFRESH#), диаграмма которого аналогична циклу DMA, но вместо чтения данных выполняется регенерация. В этом цикле считывания данных из микросхем памяти не производится, но стробы строк формируются (подробнее о методах регенерации см. в книге «Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия»). На шине ISA контроллер регенерации работает как нулевой канал DMA (в старых машинах он непосредственно и использовался). Каждые 15 мкс контроллер регенерации формирует сигнал REFRESH#, во время действия которого устанавливается AEN=H и BALE=H, формируется сигнал MEMR#, а на линиях SA[7:0] устанавливается адрес текущей регенерируемой строки. Диаграмма цикла регенерации аналогична циклу DMA, но сигнал REFRESH# указывает на то, что вместо чтения данных выполняется регенерация.

Если какое-либо устройство захватывает управление шиной более чем на 15 мкс, оно должно позаботиться о регенерации памяти. Для этого раз в 15 мкс оно должно вырабатывать сигнал REFRESH#, «отпуская» все адресные и управляющие сигналы. При этом контроллер шины, расположенный на системной плате и отвечающий за регенерацию памяти, сформирует очередной адрес на линиях SA[7:0] и сигнал MEMR#, а также установит AEN=0 и BALE=1 на все время цикла регенерации. Если устройство, надолго захватившее шину, сигнал регенерации не формирует, то запросы регенерации накапливаются в контроллере регенерации, и, как только управление будет возвращено, эти запросы будут немедленно удовлетворены. Однако число безнаказанно пропущенных запросов ограничено свойствами динамической памяти, и очередь запросов в контроллере регенерации может ограничиваться, например, четырьмя.

6.1.5. Прерывания

На шине ISA имеются линии запросов маскируемых и немаскируемых аппаратных прерываний. Линии запросов маскируемых прерываний IRQ2-IRQ7 поступают на входы первичного контроллера прерываний, IRQ9-IRQ15 — на входы вторичного. Контакт B4 (IRQ2/9) запрос IRQ2 вырабатывал только у машин PX/XT. На всех современных машинах (класса AT) он является запросом IRQ9, хотя на многих адаптерах (всех 8-битных) он обозначается как IRQ2. Приоритеты у запросов убывают по порядку IRQ9IRQ15 и далее IRQ3IRQ7. Запросы от конкретных линий могут быть замаскированы записью в регистры контроллера (см. п. 12.4), общий запрет/разрешение осуществляется манипулированием флагом разрешения прерываний (IF) процессора. Устройство может использовать одну или несколько линий запроса прерывания. На используемой линии запроса устройство в покое должно формировать низкий уровень сигнала, а при возникновении условия прерывания устанавливать на нем высокий уровень запроса. Неиспользуемые линии должны быть электрически отключены от шины или же их выходные формирователи должны переводиться в третье состояние. Переход из низкого в высокий уровень является сигналом для контроллера прерываний на формирование запроса прерывания к процессору. Устройство должно удерживать высокий уровень запроса до тех пор, пока к нему не обратится программа-обработчик прерывания, что будет означать не только обнаружение, но и правильную идентификацию источника запроса прерывания. Если запрос снят преждевременно, идентификация будет некорректной. Детально механизм обслуживания прерываний рассмотрен в п. 12.4.

Способ подачи сигнала прерывания, принятый в ISA, — чувствительность к уровню, причем к высокому, — имеет меньшую помехозащищенность, чем срабатывание по отрицательному перепаду, и отрезает путь к нормальному разделению (совместному использованию) линий запросов.

Линия IOCHK# позволяет вызывать немаскируемое прерывание (NMI), на которое процессор реагирует вне зависимости от каких-либо флагов. Это прерывание принято использовать для сообщения о серьезных ошибках, требующих реакции системы, но не для регулярной работы. Вызов NMI от данной линии разрешается установкой бита 3 (EIC) системного порта 061h, а признаком того, что прерывание NMI вызвано сигналом IOCHK#, является единичное значение бита 6 (IOCHK) того же порта.

6.1.6. Шина PC/104

Шина PC/104, предназначенная для построения относительно несложных встраиваемых контроллеров, логически эквивалентна ISA. В ее названии 104 — число контактов коннектора, на который выводятся сигналы шины ISA. От ISA шина PC/104 отличается только типом коннектора и нагрузочными характеристиками линий: поскольку протяженность линий значительно сократилась, сигнальные цепи могут быть слаботочными. Формирователи сигналов MEMCS16#, IOCS16#, MASTER# и 0WS# должны обеспечивать вытекающий ток до 20 мА, для остальных достаточно 4 мА.

Вид платы PC/104 приведен на рис. 6.4, назначение контактов дано в табл. 6.5 и 6.6. Плата компьютера с шиной PC/104 имеет разъемы-розетки. Плата расширения имеет вилку PC/104, которая вставляется в плату контроллера. Кроме вилки на плате расширения может присутствовать и розетка PC/104 (коннектор двусторонний), так что можно собрать «бутерброд» из нескольких плат (рис. 6.4, а). Для предотвращения неправильного соединения у розеток в позициях B10 и C19 нет ни контактов, ни отверстий; у вилок в этих позициях штырек отсутствует. Если плат более трех, то сверху «бутерброда» устанавливают терминатор. Для фиксации плат стандартизовано расположение крепежных отверстий. Платы скрепляются четырьмя несущими стоечками высотой 0,6" (или длинными винтами с втулками). Отметим особенности коннекторов: J1 — коннектор шины ISA-8, J2 — его расширение до ISA-16; эти коннекторы обычно имеют дюймовый шаг контактов (2,54 мм), но могут встречаться и метрические, с шагом 2,5 мм (они взаимно несовместимы!). Обратим внимание и на специфическую нумерацию рядов контактов В, А, С, D и номеров контактов (у J2 нумерация начинается с нуля, нулевые контакты не используются).

Рис. 6.4. Компьютер с шиной PC/104: а — стопка плат, б — расположение системных коннекторов


Таблица 6.5. Разъем J1/P1 шины PC-104

РЯДА Ряд В
IOCHK# 1 GND
SD7 2 RESET
SD6 3 +5 В
SD5 4 IRQ2/9
SD4 5 –5 В
SD3 6 DRQ2
SD2 7 –12 В
SD1 8 0WS#
SD0 9 +12 В
IOCHRDY 10 Ключ
AEN 11 SMEMW#
SA19 12 SMEMR#
SA18 13 IOWR#
SA17 14 IORD#
SA16 15 DACK3#
SA15 16 DRQ3
SAM 17 DACK1#
SA13 18 DRQ1
SA12 19 REFRESH*
SA11 20 BCLK
SA10 21 IRQ7
SA9 22 IRQ6
SA8 23 IRQ5
SA7 24 IRQ4
SA6 25 IRQ3
SA5 26 DACK2#
SA4 27 TC
SA3 28 BALE
SA2 29 +5 В
SA1 30 OSC
SA0 31 GND
GND 32 GND

Таблица 6.6. Разъем J2/P2 шины PC-104

Ряд C Ряд D
GND 0 GND
SBHE 1 MEMCS16#
LA23 2 IOCS16#
LA22 3 IRQ10
LA21 4 IRQ11
LA20 5 IRQ12
LA19 6 IRQ15
LA18 7 IRQ14
LA17 8 DACK0#
MEMR# 9 DRQ0
MEMW# 10 DACK5#
SD8 11 DRQ5
SD9 12 DACK6#
SD10 13 DRQ6
SD11 14 DACK7#
SD12 15 DRQ7
SD13 16 +5 В
SD14 17 MASTER#
SD15 18 GND
Ключ 19 GND

С широким использованием процессоров Pentium и следующих моделей в модуль ввели еще и шину PCI, так появился стандарт PC/104-Plus (именно такая карта показана на рис. 6.4). Трехрядный коннектор PCI имеет метрический шаг контактов 2 мм. Платы микрокомпьютеров с шинами PC/104 могут иметь и краевые разъемы ISA, PCI или комбинированный; с их помощью контроллеры подключаются к пассивной кросс-плате, в которую устанавливаются карты расширения (ISA, PCI) обычного (PC) конструктива.

6.1.7. Конфигурирование интерфейсных карт ISA и EISA

Как было указано выше, всем устройствам-абонентам шин ISA и EISA должны назначаться свои системные ресурсы — области адресов в пространствах памяти и ввода-вывода, линии запросов прерываний и каналы прямого доступа к памяти, причем устройства не должны конфликтовать по ресурсам. Иными словами, все устройства, подключенные к шине, требуется должным образом сконфигурировать. Под этим подразумевается бесконфликтная настройка их дешифраторов адресов и коммутация сигналов запросов прерываний и пар сигналов для работы с каналами DMA. Кроме того, выбранные аппаратные настройки должны быть сообщены программному обеспечению, непосредственно взаимодействующему с устройствами через порты, ячейки памяти, каналы DMA и контроллер прерываний.

Задача конфигурирования осложняется из-за отсутствия общего механизма автоматической передачи установленных параметров прикладному и системному ПО. Конфигурирование старых карт расширения выполняется переключением джамперов, затем установленные параметры заносятся в конфигурационные файлы.

Позже на картах ISA стали применять микросхемы энергонезависимой памяти (как правило, EEPROM), хранящей настройки. С такими картами поставляются утилиты настройки, позволяющие в диалоговом режиме задать требуемые параметры. Отсюда их названия: программно конфигурируемые (Software Configured), или безджамперные (jumperless). В общем, это позволило облегчить конфигурирование — для смены настроек не нужно вынимать карту и переставлять джамперы. Правда, пользователю все равно приходится вникать в распределение системных ресурсов. Однако работа конфигурационных утилит может осложняться (и блокироваться) соседними «недружественными» картами.

Идеальными условиями для программного конфигурирования, и тем более автоматического (без вмешательства пользователя), является изоляция карты от всех остальных (на время конфигурирования). Тогда ПО конфигурирования сможет вести с картой диалог, на который не повлияет присутствие других устройств. Для автоматического конфигурирования необходимо также обеспечить единый метод двустороннего обмена конфигурационной информацией между картой и конфигурационным ПО. Возможность изоляции карт при конфигурировании заложена в шины MCA, PCI и EISA, но в ISA такой возможности нет. В шине EISA можно выборочно управлять сигналом AEN (разрешающим дешифрацию адресов портов ввода-вывода) для каждого слота, причем эта возможность сохраняется и для карт ISA, установленных в слот EISA. В машинах с EISA имеется специальная энергонезависимая память конфигурирования слотов, с которой взаимодействует утилита конфигурирования EQU (EISA Configuration Utility); эта память и утилита могут использоваться и при установке карт ISA в машину EISA. Для шины ISA система автоматического конфигурирования — ISA PnP — была разработана лишь спустя десяток лет после начала массового выпуска компьютеров и карт расширения. Также были расширены функции BIOS — появилась спецификация PnP BIOS. Полная поддержка автоматического конфигурирования карт ISA требует наличия PnP BIOS, карт и/или модулей ISA PnP на системной плате, а также ОС с поддержкой PnP или же специализированного ПО.

6.1.8. Спецификация Plug and Play для шины ISA

Аппаратно-программную спецификацию «Plug and Play ISA Specification» выпустили компании Intel и Microsoft в 1994 г. Она обеспечивает решение задач изоляции карт ISA, программного распределения системных ресурсов, конфигурирования и передачи параметров операционной системе и прикладному ПО. Вышеперечисленные задачи решаются для карт PnP, которые могут работать и в окружении так называемых традиционных карт (Legacy Cards). Поскольку описание программной части этой спецификации достаточно объемно и выходит за рамки данной книги, рассмотрим принципы реализации PnP в основном с точки зрения аппаратных средств.

Конфигурирование в системе PnP состоит из следующих шагов.

1. Производится изоляция одной карты от всех остальных.

2. Карте назначается номер CSN (Card Select Number — селективный номер карты), фигурально выражаясь, «приделывается ручка» (Assign a handle), за которую ее можно «ухватить» дальнейшим командам PnP.

3. С карты считываются данные о сконфигурированных и поддерживаемых ресурсах. Эти шаги повторяются для всех карт, после чего выполняются завершающие шаги.

4. Производится распределение (арбитраж) системных ресурсов, выделяемых каждой карте.

5. Каждая карта конфигурируется согласно выбранному распределению ресурсов и активируется (переводится в рабочий режим).

Все шаги конфигурирования выполняет процедура POST (если BIOS имеет поддержку PnP) или операционная система при загрузке. PnP BIOS может ограничиться конфигурированием и активацией только устройств, участвующих в загрузке, оставляя конфигурирование и активацию дополнительных устройств операционной системе. BIOS без поддержки PnP может использовать необходимые для загрузки устройства, сконфигурированные с параметрами по умолчанию, а изоляцией карт, сбором информации и конфигурированием займется операционная система при загрузке. Вариантов много, но все они опираются на единые методы взаимодействия с картами ISA PnP. Конфигурирование выполняется в специальном состоянии плат, в которое их всех можно программно перевести с помощью специального ключа инициализации, защищающего конфигурационную информацию от случайного разрушения.

Для конфигурирования карт PnP необходимо всего три 8-битных системных порта (табл. 6.7), с которыми процессор может общаться, применяя инструкции ввода-вывода с однобайтной передачей данных. Карты PnP должны использовать 12-битное декодирование адреса ввода-вывода, а не 10-битное, как это принято в традиционных картах ISA.


Таблица 6.7. Системные порты ISA PnP

Имя порта Адрес Тип доступа
ADDRESS 0279h (Printer status port) Только запись
WRITE_DATA 0A79h (Printer status port + 0800h) Только запись
READ_DATA Перемещаемый в диапазоне 0203h-03FFh Только чтение

Порт ADDRESS используется для адресации регистров PnP — в него записывают индекс требуемого регистра (см. ниже пункт «Конфигурирование карт») перед обращением к портам WRITE_DATA и READ_DATA. Этот же порт используется и для записи последовательности кодов ключа инициализации. Выбор адреса для него обусловлен тем, что ни одна разумно сделанная карта расширения не будет пытаться задействовать для записи адрес регистра состояния стандартного LPT-порта.

Порты WRITE_DATA и READ_DATA используются для обмена данными с регистрами PnP. Адрес порта WRITE_DATA традиционными картами с 10-битным декодированием будет восприниматься как тот же адрес, что и у предыдущего порта, так что конфликт опять-таки исключен. Перемещаемому адресу порта READ_DATA программное обеспечение PnP во время исполнения протокола изоляции может легко найти бесконфликтное положение. Адрес этого порта сообщается всем картам записью в их управляющий регистр PnP.

Вышеперечисленные три порта используются только для конфигурирования и управления картами PnP. Для взаимодействия прикладных программ с функциональными устройствами карты используются иные ресурсы, выделенные карте (порты, области памяти, прерывания и каналы DMA). По включению питания или аппаратному сбросу карты настраиваются на стандартную рабочую конфигурацию, принятую для них по умолчанию (она может храниться в энергонезависимой памяти или задаваться джамперами). Это обязательно, по крайней мере для устройств, участвующих в загрузке, — ввод, вывод (экран) и собственно загрузочное устройство. Остальные устройства могут быть и логически отключенными от шины, до тех пор пока они не будут сконфигурированы программными средствами PnP. Карта PnP должна сообщать обо всех используемых ею ресурсах и, по возможности, предлагать альтернативные конфигурирования. Она обязана подчиняться конфигурационным командам PnP, включая команду деактивации (логического отключения от шины); при невозможности принять указанную конфигурацию карта (или ее логическое устройство) должна отключаться. Строгое выполнение данных требований всеми картами делает возможным работу системы PnP на неприспособленной для этого шине ISA. Непременным условием работоспособности является и уникальность идентификаторов карт (см. ниже).

В плане PnP каждая карта может находиться в одном из четырех состояний.

♦ Wait for key (ожидание ключа) — состояние нормального функционирования (или отключения) логических устройств. В это состояние устройство входит при включении питания, по аппаратному сбросу и по завершению его конфигурирования системой PnP. До подачи ключа в этом состоянии конфигурация карты программными обращениями изменена быть не может.

♦ Sleep («спячка») — состояние, в котором карта ожидает пробуждающей команды Wake[CSN], переводящей ее либо в состояние изоляции, либо в состояние конфигурирования. При нулевом параметре CSN в команде все карты с неназначенным номером CSN переводятся в состояние изоляции. При ненулевом параметре CSN в команде карта с совпадающим номером CSN переводится в состояние конфигурирования.

♦ Isolation (изоляция) — карта отвечает только на чтение регистра Serial Isolation для реализации одноименного протокола (см. далее), с помощью которого ей назначается уникальный номер CSN. Остальные команды PnP ей недоступны.

♦ Config (конфигурирование) — состояние, в котором карта отвечает на все об ращения к регистрам PnP, позволяя считывать и изменять ее конфигурацию. В этом состоянии может находиться лишь одна карта. По окончании конфигурирования карту переводят в режим ожидания ключа, защищая ее конфигурацию.

Протокол изоляции

Для изоляции карт друг от друга имеется специальный режим работы, в который логика PnP переводится с помощью ключа инициализации (Initiation key). Ключ представляет собой предопределенную последовательность записей в порт ADDRESS (279h). Аппаратная логика карты, проверяющая ключ, основана на сдвиговом регистре с обратными связями LFSR (Linear Feedback Shift Register), схема которого приведена на рис. 6.5. Во время проверки ключа на вход C1 подается уровень логического нуля, а на вход C2 — стробы записи в порт ADDRESS. Логика, не показанная на рисунке, сравнивает код в сдвиговом регистре с текущей записью и при несовпадении сбрасывает регистр LFSR в исходное состояние (код 6Ah). В это же состояние регистр может быть переведен двумя последовательными записями нулей в порт ADDRESS. Сдвиг в регистре происходит при каждой записи в порт ADDRESS. Если ключ (последовательность из 32 записей требуемых байт) из исходного состояния LFSR будет приложен верно, то после последней записи логика карты перейдет в режим конфигурирования (это еще не состояние config) и подготовится к отработке протокола изоляции. Точная последовательность байт ключа в hex-формате выглядит следующим образом:

6А, B5, DA, ED, F6, FB, 7D, BE, DF, 6F, 37, 1B, 0D, 86, C3, 61, B0, 58,

2С, 16, 8В, 45, A2, D1, E8, 74, 3A, 9D, СЕ, E7, 73, 39

Рис. 6.5. Сдвиговый регистр LFSR карты PnP

Протокол изоляции основан на уникальном последовательном идентификаторе (Serial Identifier), хранящемся в памяти каждой карты PnP. Этот идентификатор представляет собой ненулевое 72-битное число, состоящее из двух 32-битных полей и 8-битного контрольного кода, вычисляемого с помощью того же регистра LFSR. Первое 32-битное поле представляет собой идентификатор производителя. Второе поле назначается производителем и уникально для каждого экземпляра всех выпускаемых им карт. Здесь может присутствовать серийный номер, а для адаптера Ethernet это может быть и частью MAC-адреса. Принцип построения последовательного идентификатора гарантирует, что в одной системе не могут встретиться две карты с совпадающими идентификаторами. Однако случалось, что незадачливые производители тиражировали (свои ли?) устройства, копируя всю «начинку», включая и серийные номера. Доступ к идентификатору осуществляется последовательно, начиная с бита 0 нулевого байта идентификатора производителя и заканчивая битом 7 контрольной суммы. Во время передачи идентификатора на вход C1 схемы LFSR поступают текущие биты идентификатора, а на вход C2 подаются стробы чтения регистра Serial Isolation (см. ниже). В тактах передачи контрольной суммы ее биты берутся с выхода сдвигового регистра.

Протокол изоляции может быть программно инициирован в любой момент времени посылкой корректного ключа инициализации, переводящего все карты в конфигурационный режим. В этом режиме каждая карта ожидает 72 пары операций чтения порта READ_DATA. Ответ каждой карты на эти операции определяется значением очередного бита ее последовательного идентификатора.

Если текущий бит идентификатора карты имеет единичное значение, то ее буфер шины данных в первом чтении пары выводит на шину данных значение 55h. Если текущий бит нулевой, то буфер работает на чтение шины данных и логика карты анализирует ответ других карт — проверяет наличие комбинации «01» в битах D[1:0] (младшие биты числа 55h). В следующем цикле чтения пары карта с единичным битом выводит число AAh, а карта с нулевым текущим битом проверяет наличие комбинации «10».

Если карта, просматривающая вывод данных другими картами, обнаружила корректные коды в обоих циклах чтения пары, она в данной итерации изоляции исключается.

Если карта в текущей паре управляла шиной или карта читала шину, но не обнаружила корректных активных ответов других карт, она сдвигает идентификатор на один бит и готовится к приему следующей пары циклов чтения.

Эта последовательность выполняется для всех 72 бит идентификатора. В конце процесса останется лишь одна карта. Записью в управляющий регистр PnP (индекс 06) ей назначается селективный номер CSN, по которому она будет использоваться в дальнейших операциях. Карта с назначенным номером CSN в следующих итерациях протокола изоляции не участвует (на пары чтений не отвечает).

Во время протокола изоляции карты не имеют права удлинять шинные циклы с помощью сигнала IOCHRDY, поскольку это привело бы к неопределенности результатов наблюдения за «соседями». В других режимах этот сигнал может быть использован без особых ограничений.

Программа конфигурирования проверяет данные, возвращаемые во время всех пар циклов чтения, и побитно собирает прочитанный идентификатор. Если в паре приняты байты 55h и AAh, то соответствующий бит считается единичным, в других случаях он считается нулевым. При приеме идентификатора программа подсчитывает контрольную сумму и сравнивает ее с принятой. Несовпадение контрольной суммы или отсутствие среди принятых байт 55h и AAh указывает на то, что выбранный адрес порта READ_DATA конфликтует с каким-либо устройством. Тогда программа пробует произвести итерацию, переместив адрес порта READ_DATA в допустимом диапазоне адресов. Если при переборе нескольких возможных адресов не удается считать корректный идентификатор, то принимается решение об отсутствии карт PnP в системе (вообще или с неназначенными номерами CSN).

Программа должна обеспечивать задержку 1 мс после подачи ключа перед первой парой чтений и 250 мкс между парами чтений. Это дает карте время для доступа к информации, которая может храниться и в медленных устройствах энергонезависимой памяти.

Итак, по завершении протокола изоляции программное обеспечение имеет список идентификаторов обнаруженных карт и присвоенных им селективных номеров, сообщенных и самим картам. Далее общение программы с каждой картой идет по ее селективному номеру CSN, фигурирующему в командах PnP. Нулевой CSN присваивается картам по программному или аппаратному сбросу и используется как широковещательный адрес.

Конфигурирование карт

Конфигурирование карт выполняется обращениями к регистрам PnP. Обращения к регистрам PnP представляют собой операции записи или чтения портов ввода-вывода по адресам WRITE_DATA или READ_DATA соответственно. При этом для указания конкретного регистра PnP используется индекс — номер этого регистра, предварительно записанный в регистр ADDRESS.

Каждая карта имеет стандартный набор регистров PnP, причем часть из них относится к карте в целом, а часть — к каждому логическому устройству, входящему в карту. Архитектура PnP поддерживает концепцию многофункциональности, согласно которой каждая карта может включать в себя несколько логических устройств. В любой момент времени в индексном пространстве регистров PnP отображаются стандартные регистры управления картой (см. ниже) и регистры только одного логического устройства (рис. 6.6). Выбор логического устройства, с которым производится общение, осуществляется записью в регистр Logical Device Number, входящий в группу управляющих регистров карты.

Рис. 6.6. Конфигурационные регистры PnP (* — определяется разработчиком)

Все логические устройства карт PnP должны обеспечивать, по крайней мере, минимальную функциональность:

♦ регистры ресурсов при чтении должны отражать фактические текущие на стройки;

♦ бит активации при чтении должен отражать реальное состояние активности устройства на шине ISA;

♦ если программа пытается «навязать» карте конфигурацию, не поддерживаемую устройством, это устройство не должно активироваться и, соответственно, при чтении его флаг активации должен быть сброшен.

Для адресации к карте и ее логическим устройствам, а также для чтения конфигурационной информации используются стандартные регистры управления картой (табл. 6.8).


Таблица 6.8. Стандартные регистры управления картой PnP

Имя Индекс и тип Назначение
Set RD_DATA Port 00H, WO Установка адреса порта для чтения. Биты [7:0] задают значение бит [9:2] адреса порта READ_DATA. Только для записи
Serial Isolation 01h, RO Чтение этого регистра в состоянии Isolation приводит к побитному анализу идентификатора
Config Control 02h, WO Бит [2] — сброс CSN в 0. Бит [1] — возвращение в состояние Wait for Key. Бит [0] — сброс всех логических устройств и перевод конфигурационных регистров в состояние включения питания, но с сохранением номера CSN. Биты не запоминаются, так что необходимости в их программном сбросе нет
Wake[CSN] 03h, WO Запись в этот регистр приведет карту, у которой номер CSN совпадает с записываемым байтом, к переходу из состояния Sleep в состояние Config (если данные не нулевые). Запись нулевого байта переводит все карты с неназначенным номером CSN в состояние Isolation. Указатель последовательно считываемых байт сбрасывается
Resource Data 04h, RO Чтение этого регистра возвращает очередной байт информации о ресурсах. Перед чтением должен опрашиваться регистр Status
Status 05h, RO Регистр состояния. Единичное значение бита [0] указывает на возможность чтения очередного байта ресурсов
Card Select Number 06h, RW Регистр хранения селективного номера CSN, обеспечивающего выбор конкретной карты командой Wake[CSN]. Обнуляется по включению питания и аппаратному сбросу
Logical Device Number 07h, RW Выбор текущего логического устройства, к которому относятся все операции по обмену конфигурационной информацией, проверки диапазона адресов ввода-вывода и активации. Если карта имеет только одно устройство, регистр допускает только чтение и всегда имеет нулевое значение
Card Level Резерв 08h-1Fh Зарезервированы на будущее
Card Level, Vendor Defined 20h-2Fh Используются по усмотрению производителя

Конфигурирование карты начинается с команды WAKE[CSN] — записи байта CSN в регистр с индексом 3. Эта операция переводит карту с указанным номером CSN в состояние Config (конфигурирование), а остальные карты «засыпают» — переходят в состояние Sleep. Для конфигурируемой карты выполняются операции чтения ее конфигурационной информации (как карты в целом, так и логических устройств) и программирования используемых ресурсов. Программирование каждого логического устройства завершается установкой его бита активации, после чего логическое устройство активизируется на шине ISA (начнет реально использовать назначенные ресурсы). Программирование всей карты завершается переводом ее в состояние Wait for key (ожидание ключа). По окончании конфигурирования все карты PnP должны быть переведены в это состояние, и тогда их случайное реконфигурирование будет блокировано 32-байтным ключом.

Доступ к регистрам PnP через ключ возможен в любое время функционирования, однако запись в них должна производиться в полной уверенности о знании последствий. Возможно даже переназначение CSN «на ходу», но это требуется лишь в устройствах, допускающих «горячие» включения-выключения (что не приветствуется на шине ISA), док-станциях (Docking Stations) для подключения портативных компьютеров и системах управления энергопотреблением.

Стандартные регистры управления логическим устройством (табл. 6.9) используются для активации карт и проверки отсутствия конфликтов на шине ISA в выбранном диапазоне адресов ввода-вывода. Когда включен режим проверки конфликтов, на чтение по любому адресу установленного диапазона портов ввода-вывода логическое устройство отвечает байтом 55h или AAh в зависимости от состояния бита 0 регистра проверки. Естественно, что в рабочем режиме этот «автоответчик» должен быть отключен.


Таблица 6.9. Стандартные регистры управления логическим устройством PnP

Имя Индекс и тип Назначение
Activate 30h, RW Регистр активации. Бит [0] единичным значением разрешает активность логического устройства на шине ISA. Биты [7:1] зарезервированы, при чтении должны возвращать нули. Перед активацией должна быть запрещена проверка диапазона адресов ввода-вывода
I/O Range Check 31h, RW Регистр проверки диапазона адресов ввода-вывода. Биты [7:2] зарезервированы, при чтении должны возвращать нули. Бит [1] — разрешение режима проверки. Бит [0] — управление диагностическим ответом: 0 — ответ AAh, 1 — ответ 55h
Logical Device Control Резерв 32h-37h Зарезервированы на будущее
Logical Device Control Vendor Defined 38h-3Fh Используются по усмотрению производителя

Оперативные данные конфигурирования доступны через регистры логических устройств. Каждое логическое устройство имеет собственные дескрипторы используемых системных ресурсов.

♦ Обычные 24-битные (4) или 32-битные (4) дескрипторы памяти. Для неиспользуемого дескриптора памяти его поля базового адреса и длины должны быть нулевыми. Одна карта не может одновременно задействовать обычные (24-битные) и 32-битные дескрипторы памяти.

♦ Дескрипторы областей портов ввода-вывода (8). Для неиспользуемого дескриптора портов ввода-вывода его поле базового адреса должно быть нулевым. Размер области адресов определяется в блоке данных, считанном из регистра Resource Data.

♦ Дескрипторы запросов прерываний (2). Неиспользуемый селектор запроса прерывания должен быть нулевым (поскольку нулевой номер запроса недопустим — занят системным таймером). Для линии IRQ2/9 шины ISA применяют номер 9.

♦ Дескрипторы каналов прямого доступа к памяти. Неиспользуемый дескриптор канала прямого доступа должен иметь значение 4 (этот канал недоступен, по скольку задействован для каскадирования контроллеров).

Назначение регистров дескрипторов и их положение в индексном пространстве PnP раскрывает табл. 6.10.


Таблица 6.10. Регистры дескрипторов системных ресурсов логических устройств PnP

Индекс и тип Назначение
40h-5Fh — обычные (24-битные) дескрипторы памяти
40h, RW Дескриптор памяти 0: базовый адрес памяти, биты [23:16]
41h, RW Дескриптор памяти 0: базовый адрес памяти, биты [15:8]
42h, RW Дескриптор памяти 0: управление. Бит [1] — режим обращения: 0–8 бит, 1 — 16 бит. Бит [0] (RO) — способ задания диапазона: 0 — следующее поле воспринимается как маска адреса, 1 —как старший адрес
43h, RW Дескриптор памяти 0: маска или максимальный адрес области, биты [23:16]. Единичное значение бита в маске указывает, что соответствующий бит адреса участвует в дешифрации адреса области памяти (старшие биты); нулевое — бит адреса используется для адресации в пределах выделенной области)
44h, RW Дескриптор памяти 0: маска или максимальный адрес области, биты [15:8]
45h-47h Заполнитель (зарезервировано)
48h-4Ch Дескриптор памяти 1 (аналогично предыдущему)
4Dh-4Fh Заполнитель (зарезервировано)
50h-54h Дескриптор памяти 2 (аналогично предыдущему)
55h-57h Заполнитель (зарезервировано)
58h-5Ch Дескриптор памяти 3 (аналогично предыдущему)
5Dh-5Fh Заполнитель (зарезервировано)
60h-6Fh — дескрипторы пространства ввода-вывода
60h, RW Дескриптор портов 0: базовый адрес, биты [15:8]. Если логическое устройство использует только 10-битное декодирование адреса, биты [15:10] могут игнорироваться
61h, RW Дескриптор портов 0: базовый адрес, биты [7:0]
62h-63h, RW Дескриптор портов 1 (аналогично предыдущему)
64h-65h, RW Дескриптор портов 2 (аналогично предыдущему)
66h-67h, RW Дескриптор портов 3 (аналогично предыдущему)
68h-69h, RW Дескриптор портов 4 (аналогично предыдущему)
6Ah-6Bh, RW Дескриптор портов 5 (аналогично предыдущему)
6Ch-6Dh, RW Дескриптор портов 6 (аналогично предыдущему)
6Eh-6Fh, RW Дескриптор портов 7 (аналогично предыдущему)
70h-73h — дескрипторы запросов прерываний
70h, RW Селектор запроса прерывания 0. Биты [3:0] задают номер IRQ для Interrupt 0
71h, RW Тип сигнала запроса прерывания 0. Бит[1] — активный уровень: 1 — высокий, 0 — низкий. Бит[0] — тип: 1 — уровень, 0 — перепад. Если карта поддерживает только один тип сигнала, регистр может быть типа RO
72h, 73h RW Селектор и тип запроса прерывания 1 (аналогично предыдущему)
74h-75h — дескрипторы каналов прямого доступа
74h, RW Селектор 0 канала DMA. Биты [2:0] задают номер используемого канала (001 — DMA0…, 111 — DMA7)
75h, RW Селектор 1 канала DMA (аналогично предыдущему)
76h-A8h — 32-битные дескрипторы памяти
76h, RW 32-битный дескриптор памяти 0: базовый адрес памяти, биты [31:24]
77h, RW 32-битный дескриптор памяти 0: базовый адрес памяти, биты [23:16]
78h, RW 32-битный дескриптор памяти 0: базовый адрес памяти, биты [15:8]
79h, RW 32-битный дескриптор памяти 0: базовый адрес памяти, биты [7:0]
7Ah, RW 32-битный дескриптор памяти 0: управление. Биты [7:3] — зарезервированы, при чтении должны возвращать нули. Биты [2:1] — управление доступом: 00 — 8-битная память, 01 — 16-битная память, 10 — зарезервировано, 11 — 32-битная память. Бит [0] (RO) — способ задания диапазона: 0 — следующее поле воспринимается как размер области, 1 — следующее поле воспринимается как старший адрес
7Bh, RW 32-битный дескриптор памяти 0: размер или старший адрес области, биты [31:24]
7Ch, RW 32-битный дескриптор памяти 0: размер или старший адрес области, биты [23:16]
7Dh, RW 32-битный дескриптор памяти 0: размер или старший адрес области, биты [15:8]
7Eh, RW 32-битный дескриптор памяти 0: размер или старший адрес области, биты [7:0]
7Fh Заполнитель (зарезервировано)
80h-88h 32-битный дескриптор памяти 1
89h-8Fh Заполнитель (зарезервировано)
90h-98h 32-битный дескриптор памяти 2
99h-9Fh Заполнитель (зарезервировано)
A0h-A8h 32-битный дескриптор памяти 3

Дескрипторы требуемых ресурсов (данные о возможных конфигурациях логических устройств) могут быть считаны последовательно байт за байтом из регистра Resource Data и использованы для конфигурирования устройств, которое выполняется через регистры, перечисленные в табл. 6.10. Считываться будут данные из карты, находящейся в состоянии config. Если регистр считывается сразу после «победы» карты в протоколе изоляции, считывание начинается с дескриптора версии PnP. Если считывание начинается для карты после ее «пробуждения» командой Wake[CSN], сначала будут считаны 8 байт уникального идентификатора, затем байт контрольного кода, который будет недействительным, поскольку генерируется аппаратно регистром LFSR во время побитного считывания идентификатора. Только после этого начнется считывание дескрипторов ресурсов. Порядок считывания дескрипторов существенен — именно в этом порядке должны программироваться регистры дескрипторов ресурсов карты PnP. Последовательность считывания дескрипторов для каждого логического устройства завершается признаком завершения области дескрипторов.

Считав все дескрипторы всех устройств, программа, выполняющая конфигурирование PnP, получает исчерпывающую информацию об устройствах и их потребностях. После этого она пытается найти бесконфликтную конфигурацию для всех устройств, с учетом потребностей установленных устройств, не относящихся к устройствам PnP. В соответствии с принятым планом она конфигурирует все устройства, а те, которым не удается выделить ресурсы, отключает. Данные о принятых настройках передаются «заинтересованному» ПО программным способом.

6.2. Шина PCI

PCI (Peripheral Component Interconnect) local bus — шина соединения периферийных компонентов является основной шиной расширения современных компьютеров. Она разрабатывалась в расчете на Pentium, но хорошо сочеталась и с процессорами 486. Сейчас PCI является четко стандартизованной высокопроизводительной и надежной шиной расширения. Первая версия PCI 1.0 появилась в 1992 г. В PCI 2.0 (1993 г.) введена спецификация коннекторов и карт расширения. В версии 2.1 (1995 г.) введена частота 66 МГц. В настоящее время действует спецификация PCI 2.2 (декабрь 1998 г.), которая уточняет и разъясняет некоторые положения предшествующей версии 2.1. Данное описание основано на тексте стандарта «PCI Local Bus Specification. Revision 2.2» от 18.12.1998, опубликованного организацией PCI SIG (Special Interest Group).

Поначалу шина PCI вводилась как пристройка (mezzanine bus) к системам с основной шиной ISA, став позже центральной шиной: она соединяется с системной шиной процессора высокопроизводительным мостом («северным»), входящим в состав чипсета системной платы. Остальные шины расширения ввода-вывода (ISA/EISA или MCA), а также локальная ISA-подобная шина X-BUS и интерфейс LPC, к которым подключаются микросхемы системной платы (ROM BIOS, контроллеры прерываний, клавиатуры, DMA, портов СОМ и LPT, НГМД и прочие «мелочи»), подключаются к шине PCI через «южный» мост. В современных системных платах с хабовой архитектурой шину PCI отодвинули на периферию, не ущемляя ее в мощности канала связи с процессором и памятью, но и не нагружая транзитным трафиком устройств других шин.

Шина является синхронной — фиксация всех сигналов выполняется по положительному перепаду (фронту) сигнала CLK. Номинальной частотой синхронизации считается 33 МГц, при необходимости частота может быть понижена (на машинах с процессором 486 использовали частоты 20–33 МГц). Во многих случаях частоту успешно разгоняют и до 41,5 МГц (половина типовой частоты системной шины 83 МГц). Начиная с версии 2.1 допускается повышение частоты до 66 МГц при согласии всех устройств на шине.

Номинальная разрядность шины данных — 32 бита, спецификация определяет и расширение разрядности до 64 бит. При частоте шины 33 МГц теоретическая пропускная способность достигает 132 Мбайт/с для 32-битной шины и 264 Мбайт/с для 64-битной; при частоте синхронизации 66 МГц — 264 и 528 соответственно. Однако эти пиковые значения достигаются лишь во время передачи пакета, а из-за протокольных накладных расходов реальная средняя суммарная (для всех задатчиков) пропускная способность шины оказывается ниже.

С устройствами PCI процессор может взаимодействовать командами обращения к памяти и портам ввода-вывода, адресованным к областям, выделенным каждому такому устройству при конфигурировании. Устройства могут вырабатывать запросы маскируемых и немаскируемых прерываний. Понятия каналов DMA для шины PCI нет, но агент шины может сам выступать в роли задатчика, поддерживая высокопроизводительный обмен с памятью (и не только), не занимая ресурсов центрального процессора. Таким образом, к примеру, может быть реализован обмен в режиме DMA с устройствами AT А, подключенными к контролеру PCI IDE (см. п. 9.2.1). Спецификация PCI требует от устройств способности перемещать все занимаемые ресурсы в пределах доступного пространства адресации. Это позволяет обеспечивать бесконфликтное распределение ресурсов для многих устройств (функций). Для управления устройствами рекомендуется вместо портов ввода-вывода по возможности использовать ячейки памяти. Одно и то же функциональное устройство может быть сконфигурировано по-разному, отображая свои регистры либо на пространство памяти, либо на пространство ввода-вывода. Драйвер может определить текущую настройку, прочитав содержимое регистра базового адреса устройства, — признаком пространства ввода-вывода будет единичное значение бита 0 (см. п. 6.2.12). Драйвер также может определить и номер запроса прерывания, который используется устройством.

6.2.1. Адресация устройств PCI

Для шины PCI принята иерархия понятий адресации: шина, устройство, функция. Эти понятия фигурируют только при обращении к регистрам конфигурационного пространства (см. п. 6.2.12). К этим регистрам обращаются на этапе конфигурирования — переучета обнаруженных устройств, выделения им непересекающихся ресурсов (областей памяти и пространства ввода-вывода) и назначения номеров аппаратных прерываний. При дальнейшей регулярной работе устройства будут отзываться на обращения по назначенным им адресам памяти и ввода-вывода, доведенным до сведения связанных с ними модулей ПО. Эти адреса принимаются с шины AD в начале каждой транзакции. Для доступа к конфигурационному пространству используются отдельные линии IDSEL.

Устройством PCI называется микросхема или карта расширения, подключенная к одной из шин PCI и использующая для идентификации выделенную ей линию IDSEL, принадлежащую этой шине. Устройство может быть многофункциональным, то есть состоять из множества (от 1 до 8) так называемых функций. Каждой функции отводится конфигурационное пространство в 256 байт (см. п. 6.2.12). Многофункциональные устройства должны отзываться только на конфигурационные циклы с номерами функций, для которых имеется конфигурационное пространство. При этом функция с номером 0 должна быть обязательно, номера остальных функций назначаются разработчиком устройства произвольно (в диапазоне 1–7). Простые (однофункциональные) устройства, в зависимости от реализации, могут отзываться либо на любой номер функции, либо только на номер функции 0.

Шина PCI — набор сигнальных линий (см. п. 6.2.2), непосредственно соединяющих интерфейсные выводы группы устройств (слотов, микросхем на системной плате). В системе может присутствовать несколько шин PCI, соединенных мостами PCI (см. п. 6.2.10). Мосты электрически отделяют интерфейсные сигналы одной шины от другой, соединяя их логически; главный мост соединяет главную шину с ядром системы (процессором и памятью). Каждая шина имеет свой номер шины (PCI bus number). Шины нумеруются последовательно; главная шина имеет нулевой номер.

С точки зрения конфигурирования, минимальной адресуемой единицей этой иерархии является функция; ее полный адрес состоит из трех частей: номера шины, номера устройства и номера функции. Короткая форма идентификации вида PCI0:1:2 (например, в сообщениях ОС Unix) означает функцию 2 устройства 1, подключенного к главной (0) шине PCI.

В шине PCI принята географическая адресация — номер устройства определяется местом его подключения. Номер устройства (device number или dev) определяется той линией шины AD, к которой подключена линия сигнала IDSEL данного слота: к AD11 — dev0 (мост), AD12 — dev1 … AD31 — dev20. В соседних слотах PCI, как правило, задействуются соседние номера устройств; их нумерация определяется разработчиком системной платы (или пассивной кросс-платы в промышленных компьютерах). Часто для слотов используются убывающие номера устройств, начиная с 20. Группы соседних слотов могут подключаться к разным шинам; на каждой шине PCI нумерация устройств независимая (могут быть и устройства с совпадающими номерами dev, но разными номерами шин). Устройства PCI, интегрированные в системную плату, используют ту же систему адресации. Их номера «запаяны намертво», в то время как адреса карт расширения можно изменять перестановкой их в разные слоты.

Одна карта PCI может содержать только одно устройство шины, к которой она подключается, поскольку ей в слоте выделяется только одна линия IDSEL. Если на карте размещают несколько устройств (например, 4-портовая карта Ethernet), то на ней приходится устанавливать мост — тоже устройство PCI, к которому и обращаются по линии IDSEL, выделенной данной карте. Этот мост организует на карте дополнительную шину PCI, к которой можно подключить множество устройств.

С точки зрения обращения к пространствам памяти и ввода-вывода, географический адрес (номер шины и устройства) безразличен (не принимая во внимание разницу в производительности, связанную с подключением устройств к разным шинам PCI). Однако номер устройства определяет номер линии запроса прерывания, которой может пользоваться устройство. Подробнее об этом см. в п. 6.2.6, здесь же отметим, что на одной шине устройства с номерами, отличающимися друг от друга на 4, будут использовать одну и ту же линию прерывания. Возможность развести их по разным линиям прерывания может появиться лишь, если они находятся на разных шинах (это зависит от системной платы).

Разобраться с нумерацией устройств и полученных ими линий прерываний на конкретной плате можно просто: устанавливать одну карту PCI поочередно в каждый из слотов (отключая питание) и смотреть на сообщения об обнаруженных устройствах PCI, выводимых на дисплей в конце теста POST. В этих сообщениях будут фигурировать и устройства PCI, установленные непосредственно на системной плате (и не отключенные параметрами CMOS Setup).

Но чтобы не было иллюзий простоты и прозрачности, отметим, что «особо умные» операционные системы (Windows) не довольствуются полученными назначениями номеров прерывании и изменяют их по своему усмотрению (что никак не может отразиться на разделяемости линий).

6.2.2. Протокол шины PCI

В каждой транзакции (обмене по шине) участвуют два устройства — инициатор (initiator) обмена, он же ведущее (master) устройство, и целевое (target) устройство (ЦУ), оно же ведомое (slave). Шина PCI все транзакции трактует как пакетные: каждая транзакция начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных. Состав и назначение интерфейсных сигналов шины приведены в табл. 6.11.


Таблица 6.11. Сигналы шины PCI

Сигнал Назначение
AD[31:0] Address/Data — мультиплексированная шина адреса/данных. В начале транзакции передается адрес, в последующих тактах — данные
C/BE[3:0]# Command/Byte Enable — команда/разрешение обращения к байтам. Команда, определяющая тип очередного цикла шины, задается четырехбитным кодом в фазе адреса
FRAME# Кадр. Введением сигнала отмечается начало транзакции (фаза адреса), снятие сигнала указывает на то, что последующий цикл передачи данных является последним в транзакции
DEVSEL# Device Select — устройство выбрано (ответ ЦУ на адресованную к нему транзакцию)
IRDY# Initiator Ready — готовность ведущего устройства к обмену данными
TRDY# Target Ready — готовность ЦУ к обмену данными
STOP# Запрос ЦУ к ведущему устройству на остановку текущей транзакции
LOCK# Сигнал захвата шины для обеспечения целостного выполнения операции. Используется мостом, которому для выполнения одной операции требуется выполнить несколько транзакций PCI
REQ# Request — запрос от ведущего устройства на захват шины
GNT# Grant — предоставление ведущему устройству управления шиной
PAR Parity — общий бит паритета для линий AD[31:0] и C/BE[3:0]#
PERR# Parity Error — сигнал об ошибке паритета (для всех циклов, кроме специальных). Вырабатывается любым устройством, обнаружившим ошибку
PME# Power Management Event — сигнал о событиях, вызывающих изменение режима потребления (дополнительный сигнал, введенный в PCI 2.2)
CLKRUN# Clock running — шина работает на номинальной частоте синхронизации. Снятие сигнала означает замедление или остановку синхронизации с целью снижения потребления (для мобильных применений)
PRSNT[1,2]# Present — индикаторы присутствия платы, кодирующие запрос потребляемой мощности. На карте расширения одна или две линии индикаторов соединяются с шиной GND, что воспринимается системной платой
RST# Reset — сброс всех регистров в начальное состояние
IDSEL Initialization Device Select — выбор устройства в циклах конфигурационного считывания и записи
SERR# System Error — системная ошибка. Ошибка паритета адреса данных в специальном цикле или иная катастрофическая ошибка, обнаруженная устройством. Активизируется любым устройством PCI и вызывает NMI
REQ64# Request 64 bit — запрос на 64-битный обмен. Сигнал вводится 64-битным инициатором, по времени он совпадает с сигналом FRAME#. Во время окончания сброса (сигналом RST#) сигнализирует 64-битному устройству о том, что оно подключено к 64-битной шине. Если 64-битное устройство не обнаружит этого сигнала, оно должно переконфигурироваться на 32-битный режим, отключив буферные схемы старших байтов
ACK64# Подтверждение 64-битного обмена. Сигнал вводится 64-битным ЦУ, опознавшим свой адрес, одновременно с DEVSEL#. Отсутствие этого подтверждения заставит инициатор выполнять обмен с 32-битной разрядностью
INTA#, INTB#, INTC#, INTD# Interrupt А, В, С, D — линии запросов прерывания, чувствительность к уровню, активный уровень — низкий, что допускает разделяемость (совместное использование) линий
CLK Clock — тактовая частота шины. Должна лежать в пределах 20–33 МГц, в PCI2.1 — до 66 МГц
M66EN 66MHz Enable — разрешение частоты синхронизации до 66 МГц
SDONE Snoop Done — сигнал завершенности цикла слежения для текущей транзакции. Низкий уровень указывает на незавершенность цикла слежения за когерентностью памяти и кэша. Необязательный сигнал, используется только устройствами шины с кэшируемой памятью
SBO# Snoop Backoff — попадание текущего обращения к памяти абонента шины в модифицированную строку кэша. Необязательный сигнал, используется только абонентами шины с кэшируемой памятью при алгоритме обратной записи
TCK Test Clock — синхронизация тестового интерфейса JTAG
TDI Test Data Input — входные данные тестового интерфейса JTAG
TDO Test Data Output — выходные данные тестового интерфейса JTAG
TMS Test Mode Select — выбор режима для тестового интерфейса JTAG
TRST Test Logic Reset — сброс тестовой логики

В каждый момент времени шиной может управлять только одно ведущее устройство, получившее на это право от арбитра. Каждое ведущее устройство имеет пару сигналов — REQ# для запроса на управление шиной и GNT# для подтверждения предоставления управления шиной. Устройство может начинать транзакцию (устанавливать сигнал FRAME#) только при активном полученном сигнале GNT#. Снятие сигнала GNT# не позволяет устройству начать следующую транзакцию, а при определенных условиях (см. ниже) заставляет прекратить начатую транзакцию. Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный узел, входящий в чипсет системной платы. Схема приоритетов (фиксированный, циклический, комбинированный) определяется программированием арбитра.

Для адреса и данных используются общие мультиплексированные линии AD. Четыре мультиплексированные линии С/BE[3:0] обеспечивают кодирование команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных. В начале транзакции ведущее устройство активизирует сигнал FRAME#, по шине AD передает целевой адрес, а по линиям С/BE# — информацию о типе транзакции (команде). Адресованное ЦУ отзывается сигналом DEVSEL#. Ведущее устройство указывает на свою готовность к обмену данными сигналом IRDY#, эта готовность может быть выставлена и раньше получения DEVSEL#. Когда к обмену данными будет готово и ЦУ, оно установит сигнал TRDY#. Данные по шине AD передаются только при одновременном наличии сигналов IRDY# и TRDY#. С помощью этих сигналов ведущее устройство и ЦУ согласуют свои скорости, вводя такты ожидания. На рис. 6.7 приведена временная диаграмма обмена, в которой и ведущее устройство, и ЦУ вводят такты ожидания. Если бы они оба ввели сигналы готовности в конце фазы адреса и не снимали их до конца обмена, то в каждом такте после фазы адреса передавались бы по 32 бита данных, что обеспечило бы выход на предельную производительность обмена.

Рис. 6.7. Цикл обмена на шине PCI

Количество фаз данных в пакете явно не указывается, но перед последней фазой данных ведущее устройство при введенном сигнале IRDY# снимает сигнал FRAME#. В одиночных транзакциях сигнал FRAME# активен лишь один такт. Если устройство не поддерживает пакетные транзакции в ведомом режиме, то оно должно потребовать прекращения пакетной транзакции во время первой фазы данных (введя сигнал STOP# одновременно с TRDY#). В ответ на это ведущее устройство завершит данную транзакцию и продолжит обмен последующей транзакцией с новым значением адреса. После последней фазы данных ведущее устройство снимает сигнал IRDY#, и шина переходит в состояние покоя (PCI Idle) — оба сигнала FRAME# и IRDY# находятся в пассивном состоянии. Инициатор может начать следующую транзакцию и без такта покоя, введя FRAME# одновременно со снятием IRDY#. Такие быстрые смежные транзакции (Fast Back-to-Back) могут быть обращены как к одному, так и к разным ЦУ. Первый тип поддерживается всеми устройствами PCI, выступающими в роли ЦУ. На поддержку второго типа (она необязательна) указывает бит 7 регистра состояния (см. п. 6.2.12). Инициатору разрешают (если он умеет) использовать быстрые смежные транзакции с разными устройствами (битом 9 регистра команд), только если все агенты шины допускают быстрые обращения.

Шина позволяет уменьшить мощность (ток), потребляемую устройствами, ценой снижения производительности, применяя пошаговое переключение линий AD[31:0] и PAR (address/data stepping). Здесь возможны два варианта.

♦ Плавный шаг (continuous stepping) — начало формирования сигналов слабо точными формирователями за несколько тактов до введения сигнала-квалификатора действительной информации (FRAME# в фазе адреса, IRDY# или TRDY# в фазе данных). За эти несколько тактов сигналы «доползут» до требуемого значения при меньшем токе.

♦ Дискретный шаг (diskrete stepping) — нормальные формирователи срабатывают не все сразу, а группами (например, побайтно), в каждом такте по группе. При этом снижаются броски тока, поскольку одновременно переключается меньше формирователей.

Устройство само может и не пользоваться этими возможностями (см. бит 7 регистра команд), но должно «понимать» такие циклы. Задерживая сигнал FRAME#, устройство рискует потерять право доступа к шине, если арбитр получит запрос от более приоритетного устройства.

Протокол квитирования обеспечивает надежность обмена — ведущее устройство всегда получает информацию об отработке транзакции ЦУ. Средством повышения надежности (достоверности) является применение контроля паритета: линии AD[31:0] и С/BE[3:0]# и в фазе адреса, и в фазе данных защищены битом паритета PAR (количество единичных бит этих линий, включая PAR, должно быть четным). Действительное значение PAR появляется на шине с задержкой в один такт относительно линий AD и С/BE#. При обнаружении ошибки ЦУ вырабатывается сигнал PERR# (со сдвигом на такт после действительности бита паритета). В подсчете паритета при передаче данных учитываются все байты, включая и недействительные (отмеченные высоким уровнем сигнала С/ВЕх#). Состояние бит, даже и в недействительных байтах данных, во время фазы данных должно оставаться стабильным.

Каждая транзакция на шине должна быть завершена планово или прекращена, при этом шина должна перейти в состояние покоя (сигналы FRAME# и IRDY# пассивны). Завершение транзакции выполняется либо по инициативе ведущего устройства, либо по инициативе ПУ.

Ведущее устройство может завершить транзакцию одним из следующих способов.

♦ Нормальное завершение (Completion) выполняется по окончании обмена данными.

♦ Завершение по тайм-ауту (Time-out) происходит, когда во время транзакции у ведущего устройства отбирают право на управление шиной (снятием сигнала GNT#) и истекает время, указанное в его таймере Latency Timer. Это может случиться, если адресованное ЦУ оказалось непредвиденно медленным или запланирована слишком длинная транзакция. Короткие транзакции (с одной-двумя фазами данных) даже в случае снятия сигнала GNT# и срабатывания таймера завершаются нормально.

♦ Транзакция отвергается (Master-Abort), когда в течение заданного времени ведущее устройство не получает ответа ЦУ (DEVSEL#).

Транзакция может быть прекращена по инициативе ЦУ; для этого оно может ввести сигнал STOP#. Возможны три типа прекращения.

♦ Повтор (Retry) — сигнал STOP# вводится при пассивном сигнале TRDY# до первой фазы данных. Эта ситуация возникает, когда ЦУ из-за внутренней занятости не успевает выдать первые данные в положенный срок (16 тактов). Повтор является указанием ведущему устройству на необходимость нового запуска той же транзакции.

♦ Отключение (Disconnect) — сигнал STOP# вводится во время или после первой фазы данных. Если сигнал STOP# введен при активном сигнале TRDY# очередной фазы данных, то эти данные передаются и на том транзакция завершается. Если сигнал STOP# введен при пассивном сигнале TRDY#, то транзакция завершается без передачи данных очередной фазы. Отключение производится, когда ЦУ неспособно своевременно выдать или принять очередную порцию данных пакета.

♦ Отказ (Target-Abort) — сигнал STOP# вводится одновременно со снятием сигнала DEVSEL# (в предыдущих случаях во время появление сигнала STOP# сигнал DEVSEL# был активен). После этого данные уже не передаются. Отказ вводится, когда ЦУ обнаруживает фатальную ошибку или иные условия, по которым оно уже никак не сможет обслужить данный запрос.

Использование трех типов прекращения вовсе не обязательно для всех ЦУ, однако любое ведущее устройство должно быть готово к завершению транзакций по любой из этих причин.

6.2.3. Команды шины, адресация памяти и ввода-вывода

Работа шины контролируется несколькими таймерами, не позволяющими попусту расходовать такты шины и планировать распределение полосы пропускания.

Каждое ЦУ должно достаточно быстро отвечать на адресованную ему транзакцию. Задержка первой фазы данных (target initial latency), то есть задержка появления сигнала TRDY# относительно FRAME#, не должна превышать 16 тактов шины. Если устройство по своей природе иногда может не успевать уложиться в этот интервал, оно должно формировать сигнал STOP#, прекращая транзакцию. Это заставит ведущее устройство повторить транзакцию, и с большой вероятностью эта попытка окажется успешной. Если устройство медленное и часто не укладывается в 16 тактов, то оно должно откладывать транзакцию (Delayed Transaction). Кроме того, ЦУ имеет инкрементный механизм слежения за длительностью циклов (Incremental Latency Mechanism), который не позволяет интервалу между соседними фазами данных в пакете (target subsequent latency) превышать 8 тактов шины. Если ЦУ не успевает работать в таком темпе, оно обязано остановить транзакцию. Желательно, чтобы устройство сообщало о своем «неуспевании» как можно раньше, не выжидая предельных 16 или 8 тактов, — это экономит полосу пропускания шины.

Инициатор тоже не должен задерживать поток — допустимая задержка от начала FRAME# до сигнала IRDY# (master data latency) и между фазами данных не должна превышать 8 тактов. Если ЦУ время от времени отвергает операцию записи в память с запросом повтора (это, к примеру, может происходить при записи в видеопамять), то есть «предел терпения» для завершения операции. Таймер максимального времени исполнения (maximum complete time) имеет порог 10 мкс — 334 такта при 33 МГц или 668 тактов на 66 МГц, за которое инициатор должен иметь возможность «протолкнуть» хоть одну фазу данных. Таймер начинает отсчет с момента запроса повтора операции записи в память и сбрасывается при последующем завершении транзакции записи в память, отличном от запроса повтора. Устройства, не способные выдерживать ограничение на максимальное время исполнения записи в память, должны предоставлять драйверу возможность определять их состояние, в котором достаточно быстрая запись в память невозможна. Драйвер, естественно, должен учитывать это состояние и не «напрягать» шину и устройство бесплодными попытками записи.

Каждое ведущее устройство, способное сформировать пакет с более чем двумя фазами данных, должно иметь собственный программируемый таймер задержки (Latency Timer), регулирующий поведение ведущего устройства, когда у него отбирают право управления шиной. Таймер запускается по каждому сигналу FRAME#, введенному этим ведущим устройством. Поведение ведущего устройства по достижении порога зависит от типа команды и состояния сигналов FRAME# и GNT# на момент срабатывания таймера.

♦ Если ведущее устройство снимает сигнал FRAME# до срабатывания таймера, транзакция завершается нормально.

♦ Если сигнал GNT# снят и исполняемая команда не является записью памяти с инвалидацией, то инициатор обязан сократить транзакцию, сняв сигнал FRAME#. При этом ему позволяется завершить текущую и выполнить еще одну фазу данных.

♦ Если сигнал GNT# снят и исполняется запись в память с инвалидацией, то инициатор должен завершить транзакцию по концу текущей (если передается непоследнее двойное слово строки) или следующей (если двойное слово — последнее) строки кэша.

Задержка арбитража (arbitration latency) определяется как число тактов от подачи инициатором запроса REQ# до получения права управления шиной GNT#. Эта задержка зависит от активности других инициаторов, быстродействия устройств (чем меньше они вводят тактов ожидания, тем лучше) и «проворности» собственно арбитра. В зависимости от исполняемой команды и состояния сигналов ведущее устройство должно либо сократить транзакцию, либо продолжать ее до запланированного завершения.

При конфигурировании ведущие устройства сообщают свои потребности, указывая максимально допустимую задержку предоставления доступа к шине (Max_Lat) и минимальное время, на которое им должно предоставляться управление шиной (Min_GNT). Эти потребности определяются присущим устройству темпом передачи данных и его организацией.

Для максимального использования возможностей шины устройства должны иметь буферы, чтобы накапливать в них данные для пакетных транзакций. Рекомендуется для устройств со скоростью передачи данных до 5 Мбайт/с иметь буфер, по крайней мере, на 4 двойных слова. Для более высоких скоростей рекомендуется буфер на 32 двойных слова. Для обмена с системной памятью наиболее эффективны транзакции, работающие с целыми строками кэша, что тоже учитывают при определении размера буфера. Однако увеличение размера буфера может вызвать трудности при обработке ошибок, а также вести к увеличению задержек доставки данных (пока устройство не заполнит определенный объем буфера, оно не начнет передачу этих данных по шине, и их потребители будут ожидать).

В спецификации приводится пример организации карты Fast Ethernet (скорость передачи — 10 Мбайт/с), у которой для каждого направления передачи имеется 64-байтный буфер, поделенный на две половины. Когда адаптер заполняет одну половину буфера приходящим кадром, он выводит в память накопленное содержимое другой половины, после чего они меняются местами. Каждая половина выводится в память за 8 фаз данных (около 0,25 мкс на частоте 33 МГц), что соответствует установке MIN_GNT=1. При скорости прихода данных 10 Мбайт/с каждая половина заполняется за 3,2 мкс, что соответствует установке МAX_LАТ=12 (здесь время задается в интервалах по 0,25 мкс).

6.2.4. Таймеры, задержки и буферы

В каждой команде шины указывается адрес данных, передаваемых в первой фазе данных пакета. Адрес для каждой последующей фазы данных пакета увеличивается на 4 (следующее двойное слово), но в командах обращения к памяти порядок может быть иным (см. ниже). Байты шины AD, несущие действительную информацию, выбираются сигналами С/BE[3:0]# в фазах данных. Внутри пакета эти сигналы могут менять состояние от фазы к фазе произвольным образом. Разрешенные байты могут быть разрозненными; возможны фазы данных, в которых не разрешено ни одного байта. В отличие от шины ISA, на PCI нет динамического изменения разрядности — все устройства должны подключаться к шине 32-разрядным способом. Если в устройстве PCI применяются функциональные схемы иной разрядности (к примеру, нужно подключить микросхему 8255, имеющую 8-битную шину данных и четыре регистра), то приходится принимать схемотехнические методы преобразования, отображающие все регистры на 32-разрядную шину AD.

Адресация памяти, портов и конфигурационных регистров различна.

♦ В циклах обращения к памяти адрес, выровненный по границе двойного слова, передается по линиям AD[31:2]; линии AD[1:0] задают порядок адресов в пакете:

 • 00 — линейное инкрементирование; адрес последующей фазы отличается от предыдущего на число байтов шины (4 для 32-битной и 8 для 64-битной шины).

 • 10 — Cache line Wrap mode, сворачивание адресов с учетом длины строки кэш-памяти. В транзакции адрес для очередной фазы увеличивается до достижения границы строки кэша, после чего переходит на начало этой строки и увеличивается до адреса, предшествующего начальному. Если транзакция длиннее строки кэша, то она продолжится в следующей строке с того же смещения, что и началась. Так, при длине строки 16 байт и 32-битной шине транзакция, начавшаяся с адреса xxxxxx08h, будет иметь последующие фазы данных, относящиеся к адресам xxxxxx0Ch, xxxxxx00h, xxxxxx04h; и далее к xxxxxx18h, xxxxxx1Ch, xxxxxx10h, xxxxxx14h. Длина строки кэша прописывается в конфигурационном пространстве устройства (см. п. 6.2.12). Если устройства не имеет регистра Cache Line Size, то оно должно прекратить транзакцию после первой фазы данных;

 • 01 и 11 — зарезервировано, может использоваться как указание на отключение (Disconnect) после первой фазы данных.

♦ В циклах обращения к портам ввода-вывода для адресации любого байта используются все линии AD[31:0]. При этом биты адреса AD[31:2] указывают на адрес двойного слова, к которому принадлежат передаваемые данные, а младшие биты адреса AD[1:0] должны соответствовать байтам, которые могут быть разрешены сигналами С/BE[3:0]#. При AD[1:0]=00 допустимо С/BE[3:0]#=xxx0 или 1111, при AD[1:0]=01 — С/BE[3:0]#=xx01 или 1111, при AD[1:0]=10 — С/BE[3:0]#=х011 или 1111, при AD[1:0]=11 — С/BE[3:0]#=0111 (передается лишь байт 3) или 1111 (ни один байт не разрешен). Эти циклы тоже могут быть пакетными, хотя на практике эта возможность используется редко.

♦ В циклах конфигурационной записи/считывания устройство (карта расширения) выбирается индивидуальным сигналом IDSEL; функция адресуется битами AD[10:8], а конфигурационные регистры (только двойные слова) адресуются битами AD[7:2], при этом AD[1:0]=00.

Команды шины PCI определяются значениями бит С/BE# в фазе адреса (табл. 6.12).

♦ Команда подтверждения прерывания предназначена для чтения вектора прерываний. По протоколу она выглядит как команда чтения, неявно адресованная к системному контроллеру прерываний. Здесь в фазе адреса по шине AD полезная информация не передается, но ее инициатор (главный мост) должен обеспечить стабильность сигналов и корректность паритета. В PC 8-битный вектор передается в байте 0 по готовности контроллера прерываний (по сигналу TRDY#). Подтверждение прерываний выполняется за один цикл (первый холостой цикл, который процессоры х86 делают в дань совместимости со стариной, мостом подавляется).

♦ Специальный цикл отличается от всех других тем, что является широковещательным. Однако ни один агент на него не отвечает, а главный мост или иное устройство, вводящее этот цикл, всегда завершает его способом Master Abort (на него требуется 6 тактов шины). Специальный цикл предназначен для генерации широковещательных сообщений — их могут читать любые «заинтересованные» агенты шины. Тип сообщения декодируется содержимым линий AD[15:0], на линиях AD[31:16] могут помещаться данные, передаваемые в сообщении. Фаза адреса в этом цикле для обычных устройств отсутствует, но мосты используют ее информацию для управления распространением сообщения. Сообщения с кодами 0000h, 0001h и 0002h требуются для указания на отключение (Shutdown), остановку (Halt) процессора или специфические функции процессора x86, связанные с кэшем и трассировкой. Коды 0003-FFFFh зарезервированы. Специальный цикл может генерироваться тем же аппаратно-программным механизмом, что и конфигурационные циклы (см. п. 6.2.11), но со специфическим значением адреса.

♦ Команды чтения и записи ввода-вывода служат для обращения к пространству портов. Линии AD содержат адрес байта, причем декодированию подлежат и биты AD0 и AD1 (несмотря на то, что имеются сигналы ВЕх#). Порты PCI могут быть 16- или 32-битными. Для адресации портов на шине PCI доступны все 32 бита адреса, но процессоры х86 могут использовать только младшие 16 бит.

♦ Команды обращения к памяти, кроме обычного чтения и записи, включают чтение строк кэш-памяти, множественное чтение (нескольких строк), запись с инвалидацией.

♦ Команды конфигурационного чтения и записи адресуются к конфигурационному пространству устройств (см. п. 6.2.12). Обращение производится только двойными словами. Структура содержит идентификатор устройства и производите для, состояние и команду, информацию о занимаемых ресурсах и ограничения на использование шины. Для генерации данных команд требуется специальный аппаратно-программный механизм (см. п. 6.2.11).

♦ Чтение строк памяти применяется, когда в транзакции планируется более двух 32-битных передач (обычно это чтение до конца строки кэша).

♦ Множественное чтение памяти используется для транзакций, пересекающих границы строк кэш-памяти.

♦ Запись с инвалидацией применяется к целым строкам кэша и позволяет оптимизировать циклы обратной записи «грязных» строк кэша.

♦ Двухадресный цикл позволяет по 32-битной шине обращаться к устройствам с 64-битной адресацией. В этом случае младшие 32 бита адреса передаются в цикле данного типа, а за ним следует обычный цикл, определяющий тип обмена и несущий старшие 32 бита адреса. Шина PCI допускает 64-битную адресацию портов ввода-вывода (для х86 это бесполезно, но PCI существует и на других платформах).


Таблица 6.12. Декодирование команд шины PCI

С/BE[3:0] Тип команды
0000 Interrupt Acknowledge — подтверждение прерывания
0001 Special Cycle — специальный цикл
0010 I/O Read — чтение порта ввода-вывода
0011 I/O Write — запись в порт ввода-вывода
0100 Зарезервировано
0101 Зарезервировано
0110 Memory Read — чтение памяти
0111 Memory Write — запись в память
1000 Зарезервировано
1001 Зарезервировано
1010 Configuration Read — конфигурационное считывание
1011 Configuration Write — конфигурационная запись
1100 Multiple Memory Read — множественное чтение памяти
1101 Dual Address Cycle (DAC) — двухадресный цикл
1110 Memory-Read Line — чтение строки памяти
1111 Memory Write and Invalidate — запись с инвалидацией

6.2.5. Пропускная способность шины

Шина PCI является самой высокоскоростной шиной расширения современных ПК, однако и ее реальная пропускная способность, увы, не так уж и высока. Рассмотрим наиболее распространенный вариант: разрядность 32 бита, частота 33 МГц. Как указывалось выше, пиковая скорость передачи данных внутри пакетного цикла составляет 132 Мбайт/с, то есть за каждый такт шины передаются 4 байта данных (33×4=132). Однако пакетные циклы выполняются далеко не всегда. Процессор общается с устройствами PCI инструкциями обращения к памяти или вводу-выводу через главный мост, который шинные транзакции процессора транслирует в транзакции шины PCI. Поскольку у процессоров х86 основные регистры 32-разрядные, то одна инструкция порождает транзакцию с устройством PCI, в которой передается не более 4 байт данных, что соответствует одиночной передаче. Если же адрес передаваемого (двойного) слова не выровнен по соответствующей границе, то будут порождены два одиночных цикла или один пакетный с двумя фазами данных, но в любом случае это обращение будет выполняться дольше, чем при выровненном адресе.

Однако при записи массива данных в устройство PCI (передача с последовательно нарастающим адресом) мост может пытаться организовать пакетные циклы. У современных процессоров (начиная с Pentium) шина данных 64-битная и применяется буферизация записи, так что два последовательных 32-битных запроса записи объединятся в один 64-битный. Этот запрос, если он адресован к 32-битному устройству, мост попытается передать пакетом с двумя фазами данных. «Продвинутый» мост может пытаться собирать в пакет и последовательные запросы, что может породить пакет существенной длины. Пакетные циклы записи можно наблюдать, например, передавая массив данных из ОЗУ в устройство PCI строковой инструкцией MOVSD, используя префикс повтора REP. Тот же эффект даст и цикл последовательных операций LODSW, STOSW (и иных инструкциях обращения к памяти). Поскольку у современных процессоров ядро исполняет инструкции гораздо быстрее, чем шина способна вывести их результаты, между инструкциями, порождающими объединяемые записи, процессор может успеть выполнить еще несколько операций. Однако если пересылка данных организуется директивой языка высокого уровня, которая ради универсальности работает гораздо сложнее вышеприведенных ассемблерных примитивов, транзакции, скорее всего, будут уже одиночными (у буферов записи процессора не хватит «терпения» придержать один 32-битный запрос до появления следующего, или же произойдет принудительная выгрузка буферов записи процессора или моста по запросу чтения, см. п. 6.2.10).

Что касается чтения из устройства PCI, то здесь пакетный режим организовать сложнее. Буферизации чтения у процессора, естественно, нет (операцию чтения можно считать выполненной лишь по получению реальных данных), и даже строковые инструкции будут порождать одиночные циклы. Однако у современных процессоров имеются возможности генерации запросов чтения более 4 байт. Для этого можно использовать инструкции загрузки данных в регистры MMX (8 байт) или XMM (16 байт), а из них уже выгружать данные в ОЗУ (которое работает много быстрее устройств PCI).

Строковые инструкции ввода-вывода (INSW, OUTSW с префиксом повторения REP), используемые для программированного ввода-вывода блоков данных (PIO), порождают серии одиночных транзакций, поскольку все данные блока относятся к одному адресу PCI.

Посмотреть, каким образом происходит обращение к устройству, несложно при наличии осциллографа: в одиночных транзакциях сигнал FRAME# активен всего 1 такт, в пакетных он длиннее. Число фаз данных в пакете соответствует числу тактов, во время которых активны оба сигнала IRDY# и TRDY#.

Стремиться к пакетизации транзакций записи стоит только в том случае, если устройство PCI поддерживает пакетные передачи в ведомом (target) режиме. Если это не так, то попытка пакетизации приведет даже к небольшой потере производительности, поскольку транзакция будет завершаться по инициативе ведомого устройства (сигналом STOP#), а не инициатора обмена, на чем теряется один такт шины. Так, к примеру, можно наблюдать, как при записи массива в память PCI, выполняемой директивой языка высокого уровня, устройство среднего быстродействия (вводящее лишь 3 такта ожидания готовности) принимает данные каждые 7 тактов, что при частоте 33 МГц и разрядности 32 бита дает скорость 33×4/7=18,8 Мбайт/с. Здесь 4 такта занимает активная часть транзакции (от сигнала FRAME# до снятия сигнала IRDY#) и 3 такта паузы. То же устройство по инструкции MOVSD принимает данные каждые 8 тактов шины (33×4/8=16,5 Мбайт/с). Эти данные — результат наблюдения работы PCI-ядра, выполненного на основе микросхемы FPGA фирмы Altera, не поддерживающего пакетные транзакции в ведомом режиме. То же самое устройство при чтении памяти PCI работает существенно медленнее — инструкцией REP MOVSW с него удалось получать данные каждые 19–21 тактов шины (скорость 33×4/20=6,6 Мбайт/с). Здесь сказывается и большая задержка устройства (оно выдает данные лишь в 8 такте после появления сигнала FRAME#), и то, что процессор начинает следующую пересылку лишь дождавшись данных от предыдущей. Трюк с использованием регистра XMM здесь дает положительный эффект, несмотря на потерю такта (на прекращение транзакции непакетным устройством), поскольку каждый 64-битный запрос процессора выполняется парой смежных транзакций PCI, между которыми пауза всего в пару тактов.

Для определения теоретического предела пропускной способности вернемся к рис. 6.7, чтобы определить минимальное время (число тактов) транзакций чтения и записи. В транзакции чтения после подачи команды и адреса инициатором (такт 1) меняется текущий «владелец» шины AD. На этот «разворот», или «пируэт» (turnaround), уходит такт 2, что обусловливается задержкой сигнала TRDY# целевым устройством. Далее может следовать фаза данных (такт 3), если целевое устройство достаточно расторопно. После последней фазы данных требуется еще 1 такт на обратный «пируэт» шины AD (в нашем случае это такт 4). Таким образом, чтение одного слова (4 байта) занимает минимум 4 такта по 30 не (33 МГц). Если эти транзакции следуют непосредственно друг за другом (если на такое способен инициатор и у него не отбирают право на управление шиной), то можно говорить о максимальной скорости чтения в 33 Мбайт/с при одиночных транзакциях. В транзакциях записи шиной AD все время управляет инициатор, так что здесь нет потери тактов на «пируэт». При расторопном целевом устройстве, не вносящем дополнительных тактов ожидания, скорость записи может достигать 66 Мбайт/с.

Скорость, соизмеримую с максимальной пиковой, можно получить только при пакетных передачах, когда имеют место дополнительные 3 такта при чтении и 1 при записи. Так, для чтения пакета с числом фаз данных 4 требуется 7 тактов (V= 16/(7×30) байт/нс = 76 Мбайт/с), а для записи — 5 (V= 16/(5×30) байт/нс = 106,6 Мбайт/с). При числе фаз данных в 16 скорость чтения может достигать 112 Мбайт/с, а записи — 125 Мбайт/с.

В этих выкладках не учитывались потери времени, связанны со сменой инициатора. Инициатор может начинать транзакцию по получении сигнала GNT#, только убедившись в том, что шина находится в покое (сигналы FRAME# и IRDY# пассивны); на фиксацию покоя уходит один такт. Как видно, захватывать для одного инициатора большую часть пропускной способности шины можно, увеличивая длину пакета. Однако при этом возрастет задержка получения управления шиной для других устройств, что не всегда допустимо. Отметим также, что далеко не все устройства способны отвечать на транзакции без тактов ожидания, так что реальные цифры будут скромнее.

Итак, для выхода на максимальную производительность обмена устройства PCI сами должны быть ведущими устройствами шины, причем способными генерировать пакетные циклы. Поддержку пакетного режима имеют далеко не все устройства PCI, а у имеющих, как правило, есть существенные ограничения на максимальную длину пакета. Радикально повысить пропускную способность позволяет переход на частоту 66 МГц и разрядность 64 бита, что обходится недешево. Для того, чтобы на шине могли нормально работать устройства, критичные к времени доставки данных (сетевые адаптеры, устройства, участвующие в записи и воспроизведении аудио-видеоданных и др.), не следует пытаться выжать из шины ее декларированную полосу пропускания полностью. Перегрузка шины может привести, например, к потере пакетов из-за несвоевременности доставки данных. Заметим, что адаптер Fast Ethernet (100 Мбит/с) в полудуплексном режиме занимает полосу около 13 Мбайт/с (10 % декларируемой полосы обычной шины), а в полнодуплексном — уже 26 Мбайт/с. Адаптер Gigabit Ethernet даже в полудуплексном режиме вписывается в полосу шины уже с натяжкой (он «выживает» лишь за счет больших внутренних буферов), для него больше подходит 64 бит/66 МГц.

6.2.6. Прерывания

В PC-совместимых компьютерах прерывания от устройств PCI обслуживаются с помощью традиционной связки пары контроллеров 8259А, расположенных на системной плате (см. п. 12.4), к которым обращается команда «подтверждение прерывания». Прерывания на шине PCI свободны от одной из нелепостей системы прерываний ISA. Устройство PCI вводит сигнал прерывания низким уровнем (выходом с открытым коллектором или стоком) на выбранную линию INTA#, INTB#, INTC# или INTD#. Этот сигнал должен удерживаться до тех пор, пока программный драйвер, вызванный по прерыванию, не сбросит запрос прерывания, обратившись по шине к данному устройству. Если после этого контроллер прерываний снова обнаруживает низкий уровень на линии запроса, это означает, что запрос на ту же линию ввело другое устройство, разделяющее данную линию с первым, и оно тоже требует обслуживания. Линии запросов от слотов PCI и PCI-устройств системной платы коммутируются на входы контроллеров прерываний относительно произвольно. Конфигурационное ПО может определить и указать занятые линии запросов и номер входа контроллера прерываний обращением к конфигурационному пространству устройства (см. п. 6.2.12). Программный драйвер, прочитав конфигурационные регистры, тоже может определить эти параметры для того, чтобы установить обработчик прерываний на нужный вектор и при обслуживании сбрасывать запрос с требуемой линии. К сожалению, в конфигурационных регистрах не нашлось стандартного места для бита, индицирующего введение запроса прерывания данным устройством, — тогда бы в прерываниях для PCI не было бы проблем с унификацией поддержки разделяемых прерываний.

Каждая функция устройства PCI может задействовать свою линию запроса прерывания, но должно быть готовым к ее разделению (совместному использованию) с другими устройствами. Если устройству требуется только одна линия запроса, то оно должно занимать линию INTA#, если две — INTA# и INTB#, и так далее. С учетом циклического сдвига линий запроса это правило позволяет установить в 4 соседних слота 4 простых устройства, и каждое из них будет занимать отдельную линию запроса прерывания. Если какой-то карте требуется две линии, то для монопольного использования прерываний нужно оставить соседний слот свободным. PCI-устройства системной платы тоже задействуют прерывания с той же закономерностью (кроме контроллера IDE, который, к счастью, держится особняком).

Назначение прерываний устройствам (функциям) выполняет процедура POST, и этот процесс управляем лишь частично. Параметрами CMOS Setup (PCI/PNP Configuration) пользователь определяет номера запросов прерываний, доступных шине PCI. В зависимости от версии BIOS это может выглядеть по- разному; либо каждой линии INTA#INTD# явно назначается свой номер, либо ряд номеров отдается «на откуп» устройствам PCI вместе с устройствами ISA PnP (в противоположность устройствам «Legacy ISA»). В итоге POST определяет соответствие линий INTA#INTD# номерам запросов контроллера и соответствующим образом программирует коммутатор запросов. По воле пользователя может оказаться так, что не каждой линии запроса шины PCI достается отдельный вход контроллера прерываний. Тогда коммутатор организует объединение нескольких линий запросов PCI на один вход контроллера, то есть разделяемые прерывания. В самом худшем случае устройствам PCI не достанется ни одного входа контроллера прерываний. Заметим, что BIOS вряд ли отдаст шине PCI прерывания 14 и 15 (их забирает контроллер IDE, если он не отключен), а также 3 и 4 (СОМ-порты).

Драйвер (или иное ПО), работающий с устройством PCI, определяет вектор прерывания, доставшийся устройству (точнее, функции), чтением конфигурационного регистра Interrupt Line. В этом регистре указывается номер входа контроллера прерывания (255 — номер не назначен), и по нему определяется вектор (см. п. 12.4). Номер входа каждому устройству заносит тест POST. Для этого он считывает регистр Interrupt Pin каждой обнаруженной функции и по адресу устройства (!) определяет, какая из линий (PCI_1…PCI_4) используется. Заметим, что правила, по которым на системной плате определяется соответствие между Interrupt Pin и входными линиями коммутатора запросов в зависимости от номера устройства, строго не регламентированы (деление номера устройства на 4 — это всего лишь рекомендация), но их твердо знает версия BIOS данной системной платы. К этому моменту тест POST уже определил таблицу соответствия этих линий номерам входов; пользуясь этой таблицей, он записывает нужное значение в конфигурационный регистр Interrupt Line. Определить, есть ли еще претенденты на тот же номер прерывания, можно, лишь просмотрев конфигурационные регистры функций всех устройств, обнаруженных на шине (это не так уж сложно сделать, пользуясь функциями PCI BIOS). «Прелести» разделяемых прерываний обсуждаются в п. 12.4.1.

Спасением от бед «разделяемости» может быть перестановка карт в подходящий слот. Однако попадаются «подарки разработчиков» интегрированных плат, у которых из нескольких слотов PCI неразделяемая линия прерывания есть только у одного (а то и нет вообще). Такие недуги без скальпеля и паяльника, как правило, не лечатся.

На шине PCI имеется и иной механизм оповещения об асинхронных событиях, основанный на передаче сообщений (PCI Message-Based Interrupts). Для сигнализации запроса прерывания устройство запрашивает управление шиной и, получив его, выполняет запись номера прерывания по заранее оговоренному адресу.

Этот механизм может использоваться на системных платах, имеющих «продвинутый» контроллер прерываний APIC. Запись номера запроса производится в соответствующий регистр APIC. Для системных плат на чипсете с хабом ICH2 82801 этот регистр находится по адресу памяти FEC00020h, а номер прерывания может быть в диапазоне 0-23h. Однако одновременно оба механизма работать не могут; если разрешена работа APIC, то логика контроллеров 8259 не используется, и наоборот.

6.2.7. Прямой доступ к памяти, эмуляция ISA DMA (PC/PCI)

Как было сказано выше, шина PCI не предоставляет возможности прямого доступа к памяти с использованием централизованного контроллера в стиле 8237А (как для шины ISA). Для разгрузки центрального процессора от рутинных перекачек данных предлагается прямое управление шиной со стороны устройств, называемых ведущими устройствами шины (PCI Bus Master). Степень интеллектуальности ведущего устройства может быть различной. В простейшем варианте ведущее устройство обеспечивает пересылку блоков данных между устройством и системной памятью (или памятью других устройств) по указанию от CPU. Здесь CPU командами обращения к определенным регистрам ведущего устройства задает начальный адрес, длину блока, направление пересылки и разрешает запуск передачи. После этого пересылка выполняется по готовности (или инициативе) устройства, без отвлечения CPU. Таким образом выполняется прямой доступ к памяти (DMA). Более сложный контроллер DMA может организовывать сцепку буферов при чтении, разбросанную запись и т. п. — возможности, знакомые еще по «продвинутым» контроллерам DMA для ISA/EISA. Более интеллектуальное ведущее устройство, как правило, обладающее собственным микроконтроллером, не ограничивается такой простой работой по указке CPU — оно выполняет обмены уже по программе своего контроллера.

Для совместимости устройств PCI со старым PC-ориентированным ПО и упрощения устройств PCI фирма Intel разработала специальный протокол PC/PCI DMA, изменяющий назначение пары сигналов REQi# и GNTi# для заранее выбранного агента шины, являющегося «проводником» DMA. Этот агент имеет внешние (по отношению к шине PCI) пары сигналов DRQx# и DACKx# с логикой, аналогичной одноименным сигналам ISA (см. п. 6.1), а линии REQi# и GNTi# в процессе запроса управления шиной использует особым образом. Когда агент получает запрос DRQx (один или несколько), он по линии REQi# передает в последовательном коде номера активных линий запросов DRQx, с синхронизацией по линии CLK. В первом такте CLK передается старт-бит — низкий уровень REQi#, во втором — активность запроса DRQ0, затем DRQ1 и так далее до DRQ7, после чего сохраняется низкий уровень REQ#. На это сообщение арбитр ответит по линии GNTi# посылкой, также начинающейся со старт-бита, за которой последуют три бита кода номера канала, которому дается подтверждение DACK# для передачи данных в этой транзакции. Агент должен сообщать арбитру обо всех изменениях линий запроса, в том числе и о снятии сигналов запроса. Механизм PC/PCI DMA может быть реализован только в чипсете системной платы.

6.2.8. Электрический интерфейс, слоты и карты PCI

Для работы на шине PCI используются микросхемы КМОП (CMOS), причем имеются две спецификации: с напряжениями питания интерфейсных схем 5 и 3,3 В. Для них применимы параметры сигналов на постоянном токе, приведенные в табл. 6.13. Однако мощность интерфейсных элементов (транзисторов для вентилей) выбрана меньшей, чем требовалось бы для переключения сигналов на высокой частоте (33 или 66 МГц). Здесь используется эффект отражения сигналов, формируемых микросхемами на проводниках шины, от несогласованных концов этих проводников, являющихся для таких высоких частот длинными линиями. На концах проводников шины нет терминаторов, поэтому от них приходящая волна сигнала отражается с тем же знаком и с той же амплитудой. Складываясь с прямым сигналом, обратная волна и обеспечивает нужный приемнику уровень сигнала. Таким образом, передатчик генерирует сигнал, который до прихода отраженного находится между уровнями переключения.


Таблица 6.13. Параметры интерфейсных сигналов на постоянном токе

Параметр 5 В 3,3 В
Входное напряжение низкого уровня, В –0,5<UIL<0,8 –0,5<UIL≤0,3×VCC
Входное напряжение высокого уровня, В 2≤UIH≤VCC+0,5 VCC/2≤UIH≤VCC+0,5
Выходное напряжение низкого уровня, В UIL≤0,55 UOL≤0,1×VCC
Выходное напряжение высокого уровня, В UOH≥0,8 UOH≥0,9×VCC
Напряжение питания VCC, В 4,75≤UCC≤5,25 3,3≤UCC≤3,6

Линии управляющих сигналов FRAME#, TRDY#, IRDY#, DEVSEL#, STOP#, SERR#, PERR#, LOCK#, INTA#, INTB#, INTC#, INTD#, REQ64# и ACK64# на системной плате подтягиваются к шине питания резисторами (типично 2,7 кОм для версии 5 В и 8,2 кОм для 3,3 В), чтобы не было ложных срабатываний при пассивности всех агентов шины.

Электрическая спецификация рассчитана на два предельных варианта нагрузки одной шины: 2 устройства PCI на системной плате плюс 4 слота или 4 устройства и 2 слота. При этом подразумевается, что одно устройство на каждую линию шины PCI дает только единичную КМОП-нагрузку. В слоты могут устанавливаться карты, тоже дающие только единичную нагрузку. На длину проводников, а также топологию расположения элементов и проводников на картах расширения накладываются жесткие ограничения. Из-за этого изготовление самодельных карт PCI на логических микросхемах средней степени интеграции становится проблематичным.

Слоты PCI представляют собой щелевые разъемы, имеющие контакты с шагом 0,05 дюйма. Слоты расположены несколько дальше от задней панели, чем ISA/EISA или MCA. Компоненты карт PCI расположены на левой поверхности плат. По этой причине крайний PCI-слот обычно совместно использует посадочное место адаптера (прорезь на задней стенке корпуса) с соседним ISA-слотом. Такой слот называют разделяемым (shared slot), в него может устанавливаться либо карта ISA, либо PCI.

Карты PCI могут предназначаться для уровня интерфейсных сигналов 5 В и 3,3 В, а также быть универсальными. Слоты PCI имеют уровни сигналов, соответствующие питанию микросхем PCI-устройств системной платы: либо 5 В, либо 3,3 В. Во избежании ошибочного подключения слоты имеют ключи, определяющие номинал напряжения. Ключами являются пропущенные ряды контактов 12,13 и 50, 51. Для слота на 5 В ключ расположен на месте контактов 50, 51; для 3,3 В — 12, 13. На краевых разъемах карт PCI имеются ответные прорези на месте контактов 50,51 (5 В) и 12,13 (3,3 В); на универсальной карте имеется оба ключа. Ключи не позволяют установить карту в слот с неподходящим напряжением питания. Карты и слоты различаются лишь питанием буферных схем, которое поступает с линий +V I/O:

♦ на слоте «5 В» на линии +V I/O подается +5 В;

♦ на слоте «3,3 В» на линии +V I/O подается +(3,3–3,6) В;

♦ на карте «5 В» буферные микросхемы рассчитаны только на питание +5 В;

♦ на карте «3,3 В» буферные микросхемы рассчитаны только на питание +(3,3–3,6) В;

♦ на универсальной карте буферные микросхемы допускают оба варианта питания и будут нормально формировать и воспринимать сигналы по спецификациям 5 или 3,3 В, в зависимости от типа слота, в который установлена карта.

На слотах обоих типов присутствуют питающие напряжения +3,3, +5, +12 и -12В на одноименных линиях. В PCI 2.2 определена дополнительная линия 3.3Vaux — «дежурное» питание +3,3 В для устройств, формирующих сигнал РМЕ# при отключенном основном питании.

На системных платах чаще всего встречаются 5-вольтовые 32-битные слоты, заканчивающиеся контактами А62/В62; 64-битные слоты встречаются реже, они длиннее и заканчиваются контактами А94/В94. Конструкция разъемов и протокол позволяют устанавливать 64-битные карты и в 32-битные разъемы, и наоборот, но при этом, естественно, обмен будет в 32-битном режиме.

Тактовая частота шины определяется по возможностям чипсета и всех абонентов шины. Высокая частота 66 МГц может устанавливаться тактовым генератором только при высоком уровне на линии M66EN. Таким образом, установка любой карты, не поддерживающей 66 МГц (с заземленным контактом B49), приведет к понижению частоты, шины до 33 МГц. Серверные системные платы, на которых имеется несколько шин PCI, позволяют использовать на разных шинах разные частоты (66 и 33 МГц). Так, например, можно на 64-битных слотах использовать частоту 66 МГц, а на 32-битных — 33. Разгон нормальной частоты 33 МГц до 40–50 МГц аппаратно не контролируется, но может приводить к ошибкам работы карт расширения.

На рис. 6.8 изображена 32-битная карта максимального размера (Long Card), длина короткой платы (Short Card) — 175 мм, но многие карты имеют и меньшие размеры. Карта имеет обрамление (скобку), стандартное для конструктива ISA (раньше встречались карты и с обрамлением в стиле MCA IBM PS/2). Назначение выводов универсального разъема приведено в табл. 6.14.

Рис. 6.8. Карта расширения для шины PCI


Таблица 6.14. Разъемы шины PCI

Ряд В Ряд A Ряд В Ряд A
-12В 1 TRST# GND/M66EN¹ 49 AD9
TCK 2 +12В GND/Ключ 5 В 50 GND/Ключ 5 В
GND 3 TMS GND/Ключ 5 В 51 GND/Ключ 5 В
TDO 4 TDI AD 8 52 С/ВЕ0#
+5 8 5 +5 В AD 7 53 +3,3 В
+5 В 6 INTA# +3,38 54 AD 6
INTB# 7 INTC# AD 5 55 AD 4
INTD# 8 +5 В AD 3 56 GND
PRSNT1# 9 Резерв GND 57 AD 2
Резерв 10 +V I/O AD 1 58 AD 0
PRSNT2# 11 Резерв +V I/O 59 +V I/O
GND/Ключ 3,3 В 12 GND/Ключ 3,3В ACK64# 60 REQ64#
GND/Ключ 3,3 В 13 GND/Ключ 3,3 В +5 В 61 +5 В
Резерв 14 3.3Vaux² +5 В 62 +5 В
GND 15 RST# Конец 32-битного разъема
CLK 16 +V I/O Резерв 63  
GND 17 GNT# GND 64 C/BE7#
REQ# 18 GND С/ВЕ6# 65 C/BE5#
+V I/O 19 PME#² С/BE4# 66 +V I/O
AD 31 20 AD 30 GND 67 PAR64
AD 29 21 +3,3 В AD 63 68 AD 62
GND 22 AD 28 AD 61 69 GND
AD 27 23 AD 26 +V I/O 70 AD 60
AD 25 24 GND AD 59 71 AD 58
+3,3 В 25 AD 24 AD 57 72 GND
C/BE3# 26 IDSEL GND 73 AD 56
AD 23 27 +3,3 8 AD 55 74 AD 54
GND 28 AD 22 AD 53 75 +V I/O
AD 21 29 AD 20 GND 76 AD 52
AD 19 30 GND AD 51 77 AD 50
+3.3 В 31 AD 18 AD 49 78 GND
AD 17 32 AD 16 +V I/O 79 AD 48
С/BE2# 33 +3,3 В AD 47 80 AD 46
GND 34 FRAME# AD 45 81 GND
IRDY# 35 GND GND 82 AD 44
+3,3 В 36 TRDY# AD 43 83 AD 42
DEVSEL# 37 GND AD 41 84 +V I/O
GND 38 STOP# GND 85 AD 40
LOCK# 39 +3,3 В AD 39 86 AD 38
PERR# 40 (SDONE#)³ AD 37 87 GND
+3,3 В 41 (SBOFF#)³ +V I/O 88 AD 36
SERR# 42 GND AD 35 89 AD 34
+3,3 В 43 PAR AD 33 90 GND
C/BE1# 44 AD 15 GND 91 AD 32
AD 14 45 +3,3 В Резерв 92 Резерв
GND 46 AD 13 Резерв 93 GND
AD 12 47 AD 11 GND 94 Резерв
AD 10 48 GND Конец 64-битного разъема

¹ Сигнал M66EN определен в PCI 2.1 только для слотов на 3,3 В.

² Сигнал введен в PCI 2.2 (прежде был резерв).

³ Сигналы упразднены в PCI 2.2 (для совместимости на системной плате подтягиваются к высокому уровню резисторами 5 кОм).


На слотах PCI имеются контакты для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG (сигналы TCK, TDI, TDO, TMS и TRST#). На системной плате эти сигналы задействованы не всегда, но они могут и организовывать логическую цепочку тестируемых адаптеров, к которой можно подключить внешнее тестовое оборудование. Для непрерывности цепочки на карте, не использующей JTAG, должна быть связь TDI-TDO.

На некоторых старых системных платах позади одного из слотов PCI имеется разъем Media Bus, на который выводятся сигналы ISA. Он предназначен для размещения на графическом адаптере PCI звукового чипсета, предназначенного для шины ISA.

6.2.9. Иные конструктивы с шиной PCI

Шина PCI имеет и другие конструктивные исполнения; их спецификации доступны на сайте www.pcisig.org (правда, только для членов данной организации либо за деньги).

Low-Profile PCI — низкопрофильный вариант карты PCI с обычным разъемом, но измененной крепежной скобкой. Эти карты можно устанавливать вертикально (без переходника riser card) даже в низкопрофильные корпуса (например, 19" формата высотой 2U). Для этих карт предусматривается напряжение питания интерфейсных схем только 3,3 В (но шина питания 5 В сохраняется).

Small PCI (SPCI) — спецификация PCI в миниатюрном исполнении, прежде называвшаяся SFF PCI (Small Form-Factor). Эта спецификация, предназначенная, в основном, для портативных компьютеров, логически совпадает с обычной шиной PCI. Шина 32-битная, 64-битное расширение не предусматривается, и при частоте 33 МГц обеспечивается пропускная способность 132 Мбайт/с. Как и на всех шинах PCI/здесь поддерживается прямое управление (bus mastering). В дополнение к обычному набору сигналов появился новый — CLKRUN, с помощью которого хост и устройства могут управлять частотой синхронизации в интересах энергосбережения. По размерам карта SPCI совпадает с PC Card и Card Bus, но специальные ключи предотвращают ошибки подключения. Для подключения карт SPCI на системной плате устанавливается двухрядный 108-контактный штырьковый разъем с шагом контактов 2 мм. Карта расширения может подключаться к нему непосредственно, но также может использоваться переходник с двусторонними ленточными контактами с шагом 0,8 мм. Шина SPCI является внутренней (карты расширения находятся под крышкой корпуса и устанавливаются изготовителем при выключенном питании) и поэтому не нацелена на замену Card BUS (шина для внешних подключений с возможностью горячей замены). Карты SPCI могут быть трех видов: с питанием 5 В, 3,3 В и универсальные 5/3,3 В. Благодаря уменьшению размеров (длины проводников) понижены требования к мощности сигналов. Карты SPCI позволяют использовать преимущества модульных решений (можно разгрузить системную плату), обеспечивая высокую производительность обмена (чего не обеспечивает Card Bus).

Mini PCI Specification — малогабаритный вариант карт PCI (2,75"×1,81"×0,22"). Логически и электрически соответствует PCI (32 бит), дополнительно используя сигнал CLKRUN для снижения энергопотребления и без сигналов JTAG. Имеет дополнительные сигналы для аудио- и видеоприменений.

PCI–X — спецификация шины с высокой пропускной способностью, достигающей 1 Гбайт/с: тактовая частота 133 МГц и разрядность 64 бит. Разработана с учетом совместимости шины со старыми устройствами и новыми устройствами с обычной шиной PCI, для чего при наличии в системе хоть одного из «тихоходных» компонентов частота понижается до обычных 66 или 33 МГц. Кроме повышения тактовой частоты, имеются нововведения в протоколе шины (например, расщепленные транзакции), повышающие эффективность ее использования.

Для устройств промышленного назначения в начале 1995 года был принят стандарт Compact PCI. Шина Compact PCI (cPCI) разрабатывалась на основе спецификации PCI 2.1. Этот стандарт принят организацией производителей промышленных компьютеров PCIMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group). Шина отличается большим количеством поддерживаемых слотов: 8 против 4. Появились новые 4 пары сигналов запросов и предоставления управления шиной.

Шина поддерживает 32-битный и 64-битный обмен (с индивидуальным разрешением байт). При частоте шины 33 МГц максимальная пропускная способность составляет 133 Мбайт/с для 32 бит и 266 Мбайт/с для 64 бит (в середине пакетного цикла). Возможна работа на частоте 66 МГц. Шина поддерживает спецификацию PnP. Кроме того, в шине возможно применение географической адресации, при этом адрес модуля (на который он отзывается при программном обращении) определяется его положением в каркасе. Для этого на коннекторе J1 имеются контакты GA0…GA4, коммутацией которых на «землю» для каждого слота задается его двоичный адрес. Географическая адресация позволяет переставлять однотипные модули, не заботясь о конфигурировании их адресов (хорошая альтернатива системе PnP — модуль «встанет» всегда в одни и те же адреса, которые без физического вмешательства больше не изменятся). Конструктивно платы Compact PCI представляют собой еврокарты высотой 3U (100×160 мм) с одним коннектором (J1) или 6U (233×160 мм) с двумя коннекторами (J1 и J2). Коннекторы — 7-рядные штырьковые разъемы с шагом 2 мм между контактами, на кросс-плате — вилка, на модулях — розетки. Контакты коннекторов имеют разную длину: более длинные контакты цепей питания при установке модуля соединяются раньше, а при вынимании разъединяются позже, чем сигнальные. Такое решение позволяет производить «горячую» замену модулей. Собственно шина использует только один коннектор (J1), причем в 32-битном варианте не полностью — часть контактов может задействовать пользователь. 64-битная шина использует коннектор полностью. Одно посадочное место на кросс-плате резервируется под контроллер шины, на который возлагаются функции арбитража и синхронизации. На его коннекторе шиной используется большее число контактов, чем на остальных. У больших плат коннектор J2 предоставляется пользователю, а между коннекторами J1 и J2 может устанавливаться 95-контактный коннектор J3. Конструкция коннекторов позволяет для J2 применять специфические модификации (например, с разделяющим экраном и механическими ключами). В шине предусматривается наличие независимых источников питания +5 В, +3,3 В и ±12 В.

На базе шины Compact PCI фирмой National Instruments разработана спецификация PXI (PCI extensions for Instrumentation — расширение PCI для инструментальных систем) в тех же конструктивах. В шине PXI часть контактов, определенных в Compact PCI как свободные, предназначаются для дополнительных шин. Шина Trigger Bus (8 линий) звездообразно соединяет слот своего контроллера (первый после системного контроллера PCI) с остальными слотами. Шина позволяет осуществлять синхронизацию разных модулей, что зачастую требуется в измерительных системах. Для прецизионной синхронизации имеется сигнал опорной частоты 10 МГц PXI_CLK, который звездообразно (с одинаковыми задержками распространения сигнала) разводится по слотам. В PXI определены локальные шины, предназначенные для связи соседних пар слотов. Каждая локальная шина имеет 13 линий, которые могут использоваться как для цифровых, так и аналоговых (до 48 В) сигналов. Локальные шины объединяют смежные слоты попарно (исключая слот системного контроллера), образуя цепочку. Кроме механических и электрических характеристик PXI определяет ПО модулей: основной ОС считается Windows NT/95, и модули должны поставляться с соответствующими драйверами. Это экономит время, необходимое для системной интеграции. Модули PXI совместимы с шиной Compact PCI, и модули Compact PCI — с шиной PXI. Однако все преимущества спецификации реализуются только при установке модулей PXI в шину PXI.

6.2.10. Мосты PCI

Для соединения шины PCI с другими шинами и между собой применяются специальные аппаратные средства — мосты PCI (PCI Bridge). Главный мост (Host Bridge) используется для подключения PCI к системной шине (системной памяти и процессору), одноранговый мост (Peer-to-Peer Bridge) — для соединения двух шин PCI.

Соединения нескольких шин PCI характерно для серверов — таким образом увеличивают число подключаемых устройств. Мосты образуют иерархию шин, на вершине которой находится главная шина с нулевым номером. Главный мост чипсета системной платы может соединять центр (процессор и память) с несколькими равноранговыми шинами PCI, из которых условно главной будет шина с нулевым номером. Для подключения шин PCMCIA, CardBus, MCA, ISA/EISA, X-Bus и LPC используются специальные мосты, входящие в чипсеты системных плат или же являющиеся отдельными устройствами PCI (микросхемами). Мосты выполняют преобразование интерфейсов соединяемых ими шин, синхронизацию и буферизацию обменов данных. Мосты (включая и мосты PCI-PCI) допускают различие частот синхронизации на соединяемых ими шинах.

Каждый мост программируется — ему указываются диапазоны адресов в пространствах памяти и ввода-вывода, отведенные устройствам его шин. Если адрес ЦУ текущей транзакции на одной шине (стороне) моста относится к шине противоположной стороны, мост перенаправляет транзакцию на соответствующую шину и обеспечивает согласование протоколов шин. Таким образом, совокупность мостов PCI выполняет маршрутизацию (routing) обращений по связанным шинам. Считается, что устройство с конкретным адресом может присутствовать только на одной из шин, а на какой именно, «знают» запрограммированные мосты. Решать задачу маршрутизации призван также сигнал DEVSEL#. Обращения, не востребованные абонентами PCI, могут быть перенаправлены, например, на шину ISA/EISA.

С мостами связаны понятия позитивного и субтрактивного декодирования адресов. Рядовые агенты PCI (устройства и мосты) отзываются только на обращения по адресам, принадлежащим областям, описанным в их конфигурационном пространстве (через базовые адреса и диапазоны памяти или ввода-вывода). Такой способ декодирования называется позитивным. Мост с позитивным декодированием (positive decoding) пропускает через себя только обращения, принадлежащие определенному списку, заданному в его конфигурационных регистрах. Мост с субтрактивным декодированием (subtractive decoding) пропускает через себя обращения, не относящиеся к другим устройствам. Его области прозрачности формируются вычитанием (откуда и название) из общего пространства областей, описанных списком. Возможность субтрактивного декодирования имеется только у мостов определенного типа, и она является дополнением к позитивному декодированию.

Позитивное и субтрактивное декодирование относится только к обращениям, направленным в пространства памяти и ввода-вывода. Конфигурационные обращения маршрутизируются с помощью номера шины, передаваемого в циклах типа 1 (см. п. 6.2.11): каждый мост «знает» номера всех шин, его окружающих.

На каждой шине PCI должно присутствовать центральное устройство, выполняющее следующие функции:

♦ централизованный арбитраж — прием сигналов запроса REQx# от ведущих устройств шины и предоставление им права на управление шиной сигналами GNTx#;

♦ «подтягивание» управляющих сигналов к высокому уровню;

♦ субтрактивное декодирование адресов;

♦ генерация конфигурационных и специальных циклов по командам процессора (с формированием индивидуальных сигналов IDSEL к адресуемому устройству PCI);

♦ формирование сигнала REQ64# в момент окончания сброса в качестве признака 64-битной шины (если она таковая).

Эти функции, как правило, возлагаются на мост, соединяющий данную шину с более высокими уровнями иерархии шин PCI. Кроме выполнения этих функций, обслуживающих конкретную шину, мосты решают задачи оптимизации передачи данных между подсистемами компьютера, и от качества решения этих задач существенно зависит общая производительность системы.

Одной из особенностей применения шины PCI с ее мостовыми соединениями является возможность действительно одновременного выполнения более одного обмена данными по непересекающимся путям — Concurrent PCI Transferring или PCI Concurrency. Например, во время взаимодействия процессора с памятью ведущее устройство шины PCI может обмениваться данными с другим устройством PCI. Этот пример одновременности обмена скорее теоретический, поскольку ведущее устройство шины PCI, как правило, обменивается данными с системной памятью. Более интересный случай — обмен графического адаптера, подключенного к порту AGP (родственнику PCI, см. п. 6.3), с памятью одновременно с обменом процессора с устройством PCI или, наоборот, загрузка данных процессором в графический адаптер одновременно с обменом между ведущим устройством шины PCI и системной памятью. Одновременность требует довольно сложной логики централизованного арбитража запросов всех агентов системы и различных ухищрений в буферизации данных. Одновременность реализуется не всеми чипсетами (в описаниях она всегда специально подчеркивается) и может быть запрещена настройками CMOS Setup.

Для экономии полосы пропускания шины (уменьшения числа бесполезно занятых тактов) при обращениях к устройствам медленных шин (например, ISA) мост может выполнять отложенные транзакции (delayed transaction). Работает этот механизм следующим образом. Инициатор, расположенный на «быстрой» шине (это может быть и главный мост), обращается к ЦУ на медленной шине, выставляя адрес и команду, а в командах записи еще и данные. Мост сохраняет эту информацию в своих внутренних регистрах и «от имени ЦУ» вводит сигнал STOP# (прекращение типа «повтор»), что вынуждает инициатор быстро освободить шину. Тем временем мост выполняет транзакцию с настоящим ЦУ и сохраняет у себя результат ее выполнения (для команд чтения это будут данные). Инициатор, получивший ответ «повтор», вынужден снова начать точно ту же транзакцию, и теперь на нее мост быстро ответит истинным результатом, полученным от ЦУ. В то время как мост выполняет длительную операцию обмена с медленным устройством, быстрая шина остается свободной для обслуживания других инициаторов. Если по каким-либо причинам ведущее устройство «забудет» выполнить повтор транзакции, мост должен аннулировать полученные результаты. Аннулирование выполняется по таймеру (discard timer), отсчитывающему время от начала отложенной транзакции до ее повтора. Отложенные транзакции применимы к командам обращения к портам, конфигурационному пространству, подтверждению прерывания и к обычным обращениям к памяти.

Выделение специальных циклов чтения строк, множественного чтения и записи с инвалидацией позволяет контроллеру памяти предпринять определенные меры для оптимизации данных передач. Однако эти инструкции применяют только для обращений к памяти в «чистом виде» (имеющей свойство Prefetchable). Когда инициатор обращается к источнику данных, отделенному мостом, командами чтения строки или множественного чтения, мост может считать из источника данных больше, чем инициатор заберет от него в данной транзакции. Однако в конце транзакции лишние данные в буфере моста проще всего аннулировать, поскольку до возможного последующего востребования в их реальном источнике они могут быть уже модифицированы. Более сложный мост может отслеживать и эти изменения, аннулируя лишь модифицированные данные. Обращения командами обычного чтения памяти разрешают мосту считать только точно затребованное количество данных. При этом возможности ускорения передач меньше, но не возникнет побочных эффектов от лишних чтений (чтение управляющих регистров, отображенных на память, может изменять их состояние).

Мосты, инициированные на одной стороне и обращающиеся к целевому устройству на другой стороне, могут выполнять задержку передачи записи в память (posted write). При этом данные принимаются в буферы моста, и для инициатора транзакция завершится раньше, чем данные дойдут до реального получателя. Мост начнет транзакцию их доставки в удобное для другой стороны время. Порядок и количество байт, переданных получателем, обязательно должны совпадать с соответствующими данными инициатора обмена. Кроме того, сохраняется очередность операций записи и чтения. Обращение по чтению через мост вызывает принудительное освобождение буферов отложенной записи. Таким образом, инициатор имеет возможность принудительно вызвать доставку задержанных данных записи, выполняя операцию чтения «из-за моста». Записи в порты ввода-вывода откладывать имеет право только главный мост, но только для транзакций, инициированных центральным процессором. Операции чтения, естественно, выполняются сразу, поскольку без получения данных они бессмысленны.

Мосты могут преобразовывать транслируемые ими транзакции записи в память с целью оптимизации пропускной способности шины. Так, несколько последовательных транзакций записи могут объединяться в одну пакетную, в которой лишние записи могут блокироваться с помощью сигналов разрешения байтов. Например, последовательность одиночных записей двойных слов по адресам 0, 4, Ch может быть скомбинирована (write combining) в один пакет с начальным адресом 0, а во время третьей фазы данных (когда предполагается не требуемый адрес 8) все сигналы С/BE[3:0]# пассивны. Записи отдельных байтов в определенных случаях могут быть объединены (byte merging) в одну транзакцию. Так, например, последовательность записей байтов по адресам 3, 1, 0 и 2 может быть объединена в одну запись двойного слова, поскольку эти байты принадлежат одному адресуемому двойному слову. Комбинирование и объединение могут работать независимо (объединенные транзакции могут комбинироваться), однако эти преобразования не изменяют порядок следования физических записей в устройства. Наличие этих возможностей не обязательно — оно зависит от «ловкости» мостов. Цель преобразований — сократить число отдельных транзакций (каждая имеет по крайней мере одну «лишнюю» фазу адреса) и, по возможности, фаз данных. Устройства PCI должны нормально отрабатывать комбинирование записей — если устройство не допускает комбинирования, оно неправильно спроектировано. Если устройство не допускает объединения байтов, то оно в описании своей памяти должно иметь обнуленным бит Prefetchable.

С мостами PCI связано понятие VGA Palette Snooping — слежение за записью в палитры VGA, являющееся исключением из правила однозначной маршрутизации обращений к памяти и вводу-выводу. Графическая карта в компьютере с шиной PCI обычно устанавливается в эту шину или в порт AGP, что логически эквивалентно установке в шину PCI. На VGA-карте имеются регистры палитр (Palette Registers), традиционно приписанные к пространству ввода-вывода. Если графическая система содержит еще и карту смешения сигналов графического адаптера с сигналом «живого видео», перехватывая двоичную информацию о цвете текущего пиксела по шине VESA Feature Connector (снимаемую до регистра палитр), цветовая гамма будет определяться регистром палитр, размещенным на этой дополнительной карте. Возникает ситуация, когда операция записи в регистр палитр должна отрабатываться одновременно и в графическом адаптере (на шине PCI или AGP), и в карте видеорасширения, которая может размещаться даже на другой шине (в том числе и ISA). В CMOS Setup может присутствовать параметр PCI VGA Palette Snoop. При его включении запись в порты ввода-