Ключев А.О., Ковязина Д.Р. и др. Интерфейсы периферийных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

А.О. Ключев, Д.Р. Ковязина,

Е.В. Петров, А.Е. Платунов

ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2010

Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Петров Е.В., Платунов А.Е. Интерфейсы

периферийных устройств. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. – 290 с.

Учебное пособие посвящено вопросам организации интерфейсов

периферийных устройств. В пособии рассматриваются: организация системы

ввода-вывода, способы обмена информацией между устройствами

вычислительной системы, аппаратные интерфейсы вычислительных систем. В

приложениях к учебному пособию

помещены справочные данные и задания к

выполнению лабораторных работ с использованием учебного лабораторного

стенда SDK-1.1.

Для подготовки бакалавров и магистров по направлению 23.01.00

«Информатика и вычислительная техника»; по программам подготовки

магистров 23.01.00.33 «Проектирование встроенных вычислительных систем» и

23.01.00.34 «Системотехника интегральных вычислителей. Системы на

кристалле».

Рекомендовано к печати ученым советом факультета КТиУ, протокол №15

от 16.11.2010 г.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в

результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым

присвоена категория «Национальный исследовательский университет».

Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена

Программа развития государственного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный

университет информационных технологий, механики и оптики» на 2009–2018

годы.

©Санкт-Петербургский

государственный университет

информационных технологий, механики и оптики, 2010

Д.Р. Ковязина,

Е.В. Петров,

А.Е. Платунов, 2010.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................... 8

1 ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ...... 10

1.1 ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ......................10

1.1.1 Принципы Фон-Неймановской архитектуры.................................................. 11

1.1.2 Достоинства и недостатки Принстонской архитектуры ................................12

1.1.3 Достоинства и недостатки Гарвардской архитектуры ...................................13

1.2 ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ. ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЯДРА И

СИСТЕМЫ ВВОДА

-ВЫВОДА ..............................................................................................15

1.2.1 Процессор и память...........................................................................................16

1.2.2 Контроллер ввода-вывода .................................................................................19

1.2.3 Процессор ввода-вывода...................................................................................20

1.2.4 Интерфейс и протокол.......................................................................................21

1.2.5 Порт ввода-вывода.............................................................................................23

1.3 ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА .....................................................28

1.3.1 Организация СВВ универсальных ЭВМ .........................................................29

1.3.2 Организация СВВ управляющих ЭВМ............................................................30

2 СПОСОБЫ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ МЕЖДУ УСТРОЙСТВАМИ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ .............................................................................................. 50

2.1 СИНХРОННЫЙ ОБМЕН ДАННЫМИ....................................................................................50

2.2 АСИНХРОННЫЙ ОБМЕН ДАННЫМИ С ПРОГРАММНОЙ ПРОВЕРКОЙ ГОТОВНОСТИ ............51

2.3 АСИНХРОННЫЙ ОБМЕН ДАННЫМИ С АППАРАТНОЙ ПРОВЕРКОЙ ГОТОВНОСТИ ...............53

2.3.1 Система прерываний .........................................................................................53

2.3.2 Классификация прерываний .............................................................................54

2.3.3 Функции системы прерываний и их реализация ............................................56

2.3.4 Аппаратный полинг...........................................................................................59

2.3.5 Характеристики систем прерываний ...............................................................60

2.3.6 Контроллер прерываний 8259A........................................................................61

2.4 ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА В РЕЖИМЕ ПРЯМОГО ДОСТУПА..................................................62

2.4.1 Общие принципы организации ПДП...............................................................63

2.4.2 DMA-контроллеры персонального компьютера .............................................65

3 АППАРАТНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ..................................... 68

3.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ............................................................68

3.2 ФУНКЦИИ АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ..........................................................................74

3.3 КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ.............................................................78

3.4 ПОНЯТИЕ ИНТЕРФЕЙСНЫХ СИСТЕМ ................................................................................80

3.5 РЕАЛИЗАЦИЯ АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ: ПРОБЛЕМЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ......80

3.5.1 Электромагнитные помехи ...............................................................................80

3.5.2 Характеристики линии связи............................................................................82

3.5.3 Виды линий связи ..............................................................................................85

3.5.4 Сбалансированная схема...................................................................................86

3.5.5 Симметричная и несимметричная схема передачи сигналов........................88

3.5.6 Виды кодирования .............................................................................................92

3.5.7 Приемопередатчик последовательного интерфейса.......................................97

3.5.8 Особенности параллельных интерфейсов.....................................................101

3.5.9 Мультиплексирование, конвейеризация, блочная передача ........................102

3.5.10 Устройства гальванической изоляции в аппаратных интерфейсах.............103

3.5.11 Горячее подключение и автоконфигурирование........................................... 111

3.6 ВНУТРИСИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС AMBA.....................................................................113

3.6.1 Внутрисистемный интерфейс AMBA AHB .................................................. 117

3.6.2 Системный интерфейс AMBA ASB................................................................124

3.6.3 Периферийный интерфейс AMBA APB.........................................................127

3.7 СИСТЕМНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ...........................................................................................131

3.7.1 Интерфейс PCI .................................................................................................131

3.7.2 Интерфейс PCI Express....................................................................................142

3.8 СТАНДАРТНЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ .............................................................144

3.8.1 Интерфейс SCSI ...............................................................................................144

3.8.2 Интерфейс SAS ................................................................................................148

3.8.3 Сравнение SAS и параллельного SCSI ..........................................................149

3.8.4 Сравнение SAS и SATA...................................................................................149

3.9 МАЛЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ.........................................................................150

3.9.1 Интерфейс RS-232 ...........................................................................................150

3.9.2 Интерфейс SPI..................................................................................................161

3.9.3 Интерфейс Centronics ......................................................................................167

3.9.4 Интерфейс SATA..............................................................................................172

3.10 КОНТРОЛЛЕРНЫЕ СЕТИ..................................................................................................175

3.10.1 Интерфейс RS-485 ...........................................................................................175

3.10.2 Интерфейс 1-Wire ............................................................................................180

3.10.3 Интерфейс I

C ..................................................................................................182

3.10.4 Интерфейс USB................................................................................................194

3.11 СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ

СЕТИ

..............................................................................................................................198

3.11.1 Сети передачи данных.....................................................................................198

3.11.2 Беспроводные сенсорные сети .......................................................................198

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА УЧЕБНОГО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

SDK-1.1.................................................................................................................. 203

А.1 НАЗНАЧЕНИЕ СТЕНДА ....................................................................................................203

А.2 СОСТАВ СТЕНДА ............................................................................................................203

А.3 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ ЯДРО И СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА .................................................204

А.3.1 Микроконтроллер ADuC812 ...........................................................................205

А.3.2 Внешняя память программ и данных.............................................................206

А.3.3 Порты ввода-вывода ........................................................................................207

А.3.4 Расширитель портов ввода-вывода ................................................................209

А.3.5 Периферийные устройства, подключенные к расширителю портов ввода-

вывода ...............................................................................................................209

А.3.6 Аналоговый ввод-вывод..................................................................................212

А.3.7 I

C-устройства..................................................................................................213

А.3.8 Последовательные и параллельные интерфейсы..........................................214

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. КОМПЛЕКС ЛАБОРАТОРНЫХ РА БОТ ДЛЯ УЧЕБНОГО

ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА SDK-1.1 ........................................................... 216

Б.1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТА № 1 «ДИСКРЕТНЫЕ ПОРТЫ ВВОДА-ВЫВОДА» ........................216

Б.1.1 Задание..............................................................................................................216

Б.1.2 Порты ввода-вывода ........................................................................................216

Б.1.3 Описание работы .............................................................................................217

Б.1.4 Требования к выполнению работы.................................................................218

Б.1.5 Содержание отчета ..........................................................................................219

Б.1.6 Литература........................................................................................................219

Б.1.7 Варианты заданий............................................................................................219

Б.2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТА № 2 «ТАЙМЕРЫ. СИСТЕМА ПРЕРЫВАНИЙ» ............................223

Б.2.1 Задание..............................................................................................................223

Б.2.2 Таймеры-счетчики ...........................................................................................223

Б.2.3 Описание работы .............................................................................................224

Б.2.4 Особенности обработки прерываний в стенде SDK-1.1 ..............................226

Б.2.5 Требования к выполнению работы.................................................................230

Б.2.6 Содержание отчета ..........................................................................................230

Б.2.7 Литература........................................................................................................230

Б.2.8 Варианты заданий............................................................................................230

Б.3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТА № 3 «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС RS-232. UART» ....233

Б.3.1 Задание..............................................................................................................233

Б.3.2 Особенности последовательного интерфейса в микроконтроллере с ядром

MCS-51..............................................................................................................233



Б.3.3 Организация буферизированного последовательного ввода-вывода в стенде

SDK-1.1 .............................................................................................................234

Б.3.4 Организация программы.................................................................................235

Б.3.5 Организация обработчика прерывания UART ..............................................236

Б.3.6 Описание работы .............................................................................................237

Б.3.7 Требования к выполнению работы.................................................................238

Б.3.8 Содержание отчета ..........................................................................................238

Б.3.9 Литература........................................................................................................239

Б.3.10Варианты заданий............................................................................................239

Б.4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТА № 4 «КЛАВИАТУРА»................................................................243

Б.4.1 Задание..............................................................................................................243

Б.4.2 Матричная клавиатура.....................................................................................243

Б.4.3 Описание работы .............................................................................................248

Б.4.4 Требования к выполнению работы.................................................................251

Б.4.5 Содержание отчета ..........................................................................................251

Б.4.6 Литература........................................................................................................252

Б.4.7 Варианты заданий............................................................................................252

Б.5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТА № 5 «ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИНДИКАТОР».....................254

Б.5.1 Задание..............................................................................................................254

Б.5.2 Описание работы .............................................................................................254

Б.5.3 Требования к выполнению работы.................................................................258

Б.5.4 Содержание отчета ..........................................................................................258

Б.5.5 Литература........................................................................................................258

Б.5.6 Варианты заданий............................................................................................258

Б.6 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТА № 6 «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС I

C»........................262

Б.6.1 Задание..............................................................................................................262

Б.6.2 Описание работы .............................................................................................262

Б.6.3 Требования к выполнению работы.................................................................267

Б.6.4 Содержание отчета ..........................................................................................267

Б.6.5 Литература........................................................................................................268

Б.6.6 Варианты заданий............................................................................................268

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРА БО Т КА ПРОГРАММЫ.............................. 275

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ПРОГРАММ НА ЯЗЫКЕ СИ.......... 278

Г.1 СОГЛАШЕНИЯ ПО ИДЕНТИФИКАТОРАМ .........................................................................278

Г.1.1 Подбор идентификаторов................................................................................278

Г.1.2 Написание идентификаторов..........................................................................278

Г.2 СОГЛАШЕНИЯ ПО САМОДОКУМЕНТИРУЕМОСТИ ПРОГРАММ .........................................279

Г.2.1 Комментарии ....................................................................................................279

Г.2.2 Спецификация функций ..................................................................................279

Г.2.3 Спецификация программного файла или модуля.........................................280

Г.3 СОГЛАШЕНИЯ ПО ЧИТАЕМОСТИ ПРОГРАММ..................................................................281

Г.3.1 Лесенка .............................................................................................................281

Г.3.2 Длина строк программного текста .................................................................282

Г.3.3 Прочие рекомендации......................................................................................282

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................................. 284

КАФЕДРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.................................................................................... 290

Введение

При изучении систем ввода-вывода и интерфейсов периферийных

устройств необходимо представлять основные принципы построения средств

вычислительной техники, которые во многом определяются той элементной

базой, на которой строятся вычислительные системы общего и

специализированного назначения. С этой точки зрения весь период развития

вычислительной техники от первого компьютера до современных

вычислительных машин можно разбить

на два этапа. Первый – это этап до

появления современных интегральных схем и микропроцессоров. Второй –

после их появления и начала выпуска персональных компьютеров (ПК).

На первом этапе компьютеры разрабатывались и изготавливались на своей

собственной элементной базе, их устройства (процессор, ОЗУ, устройства

управления и т.п.) имели архитектуру и структуру, присущую только

данному

компьютеру или одному семейству, связь между устройствами и узлами

осуществлялась с помощью интерфейсов, используемых только этим типом

вычислительной машины. Стандарты применялись, но в основном касались ПУ,

а не внутренних устройств. Поэтому машины разных фирм были не

совместимы по элементной базе, устройствам и конструктивам. Это относилось

как к большим, так и

к малым вычислительным машинам. Это машины типа

БЭСМ-1 (2,6), «Урал», «Наири», IBM 360 (370) , ЕС ЭВМ-1033 (1040, 1060),

DEC PDP-11, СМ-1 (2,3,4) и т.д. Каждый тип компьютера был в определенной

степени уникален.

На втором этапе изменился принцип построения вычислительной техники.

Она стала основываться на правиле трех «М»: модульность,

микропрограммируемость и магистральность. Модуль представляет собой

функционально полное и конструктивно

законченное устройство, серийно

выпускаемое и программно (микропрограммно) управляемое (настраиваемое).

Вычислительные системы собираются на основе этих модулей с помощью

каналов связи – универсальных или специализированных интерфейсов.

На втором этапе существенно возросла роль стандартизации, без которой

разработка и выпуск вычислительных систем общего назначения стал просто

невозможен, а специализированного назначения – практически невозможен.

В последнее

время существенно возросли роль и значение систем ввода-

вывода и интерфейсов вследствие усиления значимости коммуникационной

составляющей по сравнению с вычислительной составляющей в

информационно-управляющих системах.

Учебное пособие посвящено рассмотрению роли и места систем ввода-

вывода и интерфейсов в вычислительных системах, изложению принципов их

построения и функционирования. Оно содержит материалы о современных

стандартных внутрисистемных, системных, периферийных интерфейсах, а

также лабораторные работы, способствующие изучению этих материалов,

приобретению студентами навыков проектирования и низкоуровневого

программирования подсистем ввода-вывода микропроцессорных систем

различного назначения на примере программирования учебного лабораторного

стенда SDK-1.1.

Учебное пособие предназначено для студентов, специализирующихся в

области вычислительной техники и программирования. Знание интерфейсов

позволит разработчику аппаратуры более грамотно подойти к выбору варианта,

соответствующего поставленной задаче. Знания материалов этого пособия

необходимы системным интеграторам. Без этих знаний

они не смогут подобрать

требуемый набор устройств и оптимально объединить их в систему. Сведения

учебного пособия помогут системным программистам разрабатывать

собственные драйверы периферийных устройств или адаптировать чужие

разработки.