Slide thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối chương 4 io interface bus overview

AT/ ISA/ PC 104 bus http://www.techfest.com/hardware/bus/isa.htm Chu kỳ R/W của ISA • Tham khảo hình cuối Ch1 • Là IO bus có đủ các tín hiệu điều khiển • Tham khảo: techfes.com để nắm đư

P&I Ch4 - Bus 1

CH 4 I/O INTERFACE BUS OVERVIEWGIỚI THIỆU BUS CHUẨN CHO GHÉP NỐI, MỞ RỘNG:

– ISA/ PC-104 – AT bus – USB (Universal Serial Bus) – Philips I2C

– PCI (Peripheral Component Interconnect) – SCSI (Small Computer Systems Interface) – GPIB (General Purpose Interface Bus) – Field buses: Siemens PROFIBUS, ASi bus, Multi Point – IEEE 1394

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

4.0 KHÁI NIỆM VỀ BUS:

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

Optic), Slot, Connector

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

thời điểm chỉ có 1 talker – 1 hoặc nhiều listener

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

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

• IO Buses vs Mem/CPU/Local Buses

• Thành phần (physical lines/ time sharing):

– Address – Data – Control/ Status/Handshake/data check – [Power supply]

P&I Ch4 - Bus 3

Phân loại bus

• Bus size: data 8, 16, 32 bit ~ 16/24/32 Address bus, các bus nốitiếp khả năng quản lý được bao nhiêu thiết bị: USB ~ 127, IEEE1394~64k…)

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

• Đối tượng ghép nối:

– Mem bus (local ~, sys ~ ), – IO Bus: PCI (!), ISA, EISA, MC, USB, FireWire

– Field bus Siemens Profi bus

4.1 Industry Small Architecture (ISA) bus:

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

• Để ghép thêm các card/ thiết bị I/O chuẩn với Mother Board, 1 12 Slots, iPCs, hiện tại các máy có thể khôngdùng slot

• 8/ 16 bit for data transfers

• 4,77 => 8,33 MHz/11.1MHz => 2.75 MWps/5.5 MWpsmax, DMA 16

• Only 1 BusMaster, CPU hoặc DMAC, w AEN

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

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

typed devices’ : keyboard, mouse

• Refer ‘AT Technical Reference’ or TechHelp for detail

P&I Ch4 - Bus 5

Hình 4.1 AT/ ISA/ PC 104 bus http://www.techfest.com/hardware/bus/isa.htm

Chu kỳ R/W của ISA

• Tham khảo hình cuối Ch1

• Là IO bus có đủ các tín hiệu điều khiển

• Tham khảo: techfes.com để nắm được ý nghĩa của các tín hiệu ISA bus

• BT: vẽ các chu kỳ bus của ISA;

– IORead bus cycle – IOWrite bus cycle – IOR-MEMW DMA bus cycle – MEMR-IOW DMA bus cycle

P&I Ch4 - Bus 7

4.2 Universal serial bus - USB:

4.2 Universal Serial Bus Rev 4.2.1: Topology

• Rev.1.1:

23/09/1998

• Chia thành nhiều Tiers

• Các Tiers nối các thiết bị:

Hub hoặc chức năng

• Mỗi Tier có Hub(s)

Thiết bị chuẩn interface USB theo:

USB Protocol Chuẩn Hđ của USB: config và reset Communication Standard

USB Controller/ Host polls bus & initiates all data transfer

P&I Ch4 - Bus 11

4.3 USB: Physical interface

1.5 Mbps – Low speed mode và 12Mbps (Revision 1.1) Nguồn cấp +5V, vài metre

Power managment Revision 2.0: 480Mb/s

P&I Ch4 - Bus 14

P&I Ch4 - Bus 18

P&I Ch4 - Bus 19

Các lớp thiết bị USB

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

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

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

isochronal hay block (đối với MIDI)

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

cho việc gọi điện thoại, thẻ ra vào, trả cước cầu đường, bảohiểm y tế, giải mã cho các bộ thu truyền hình vệ tinh, tíndụng có cập nhật thông tin

– Communication devices: thiết bị thoại (analog

phone/modem, ISDN adaptor, digi phone) và các thiết bịmạng tốc độ trung bình (ADSL modem, 10/100base-Ethernet adapter và hub)

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

file, âm nhạc, hình ảnh hoặc các dữ liệu khác được truyền trênbus với password

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

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

– Human Interface Devices - HID: Keyboard, mouse,

joystick…Thường driver có sẵn trong các OS

– Infrared Data Association Bridge: quy định những yêu cầu

về phần cứng và các giao thức cho phép việc truyền tải dữliệu ở khoảng cách ngắn bằng hồng ngoại

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

và flashmem, camera cũng có thể sử dụng lớp lưu trữ thứ cấpcho phép việc truy cập các file hình ảnh trong bộ nhớ củacamera… với các lệnh xóa, copy, move, forrmat…

P&I Ch4 - Bus 21

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

hay hình ảnh trên media.

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

scanner (trùng vài điểm với bộ nhớ ngoài)

– Test and Instrumentation devices: quy định

gioa thức ghép nối với thế giới thực qua ADC, DAC, sensors, transducers.

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

một số thiết bị có chức năng gửi, nhận hay căn chỉnh ảnh động Also for static picture files

– Non standardized devices: như TB điều khiển

động cơ, rơ le, hay các cơ cấu chấp hành khác… hay cầu USB (PC to PC)

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

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

để định cấu hình

• Đừn giản ghép nối Nhiều uC hỗ trợ I2C

• Đơn giản tìm lỗi, khoanh vùng lỗi nhanh

• Giảm thiểu kích thước: 2-wire serial, không cần các mạch AddrDecoder và ‘glue logic’, dùng phần mềm

• Truyền đồng bộ, 100 kb/s Standard-mode, 400 kb/s Fast-mode, 3.4Mb/s HiSpeed-mode

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

P&I Ch4 - Bus 25

H 410a Synchronous Serial Data & Clock

P&I Ch4 - Bus 27

P&I Ch4 - Bus 29

tùy thuộc bit tiếp theo là data hay Stop

P&I Ch4 - Bus 31

Ví dụ WRITE I2C bus DS1307

• -DS1307 – Real Time Clock có địa chỉ đọc 0xD0, địa chỉ ghi 0xD1 quá trình đọc ghi diễn ra theo lược đồ sau :

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

truyền, len l số byte cần ghi

{ char i ;I2C_Write(0xD0);

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

Ví dụ READ I2C bus DS1307

Void Read_DS1307(char* buff , byte len) // buff là bộ đệmnhận, len là số byte cần đọc

{char i ;I2C_Write(0xD1);

for(i=0;i<len;i++) buff[i] = I2C_Read();

}

P&I Ch4 - Bus 33

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

Void Write_24C04(usigned int address, char* buff , byte len) //address là địa chỉ cần ghi, buff là bộ đệm truyền, len là số byte cần ghi

{ char i ;I2C_Write(0xD0);

I2C_Write(address >> 8) ; // 8bit address highI2C_Write(address & 0xff ) ; // 8bit address lowfor(i=0;i<len;i++) I2C_Write( buff[i]);

Return ( I2C_Read() );

}

P&I Ch4 - Bus 35

4.5 PCI - Peripheral Component Interconnect

5/1993, Intel Ver 2.0, Open standard,

- Local bus, trung gian giữa Local và các bus chuẩn khác(ISA, MC, EISA) thông qua PIC Bridge/Controller

- Có kiểm tra parity cho Addr và Data

- Auto configuration of all PCI devices, share the same IRQ Disabling IRQ => cấm toàn bộ PCI devices

- No DMA, device on PCI bus là bus master (Tốt cho việcdùng MultiTasking OS)

- Burst mode: 32 bit @33MHz > 96 132MBps, tuỳ thuộc sốbyte (từ 32 byte đến 4KB) Option 64bit @33MHz >

264MBps, 64bit – 66MHz

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

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

cao, nhanh, data block

4.6 Small computer systems interface - SCSI

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

UltraSCSI:

• Dùng cho Disk controller có bộ lệnh của nó,

• Thường có 1 Adaptor, không nằm trên motherboard

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

5 to 40 MB/s

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

P&I Ch4 - Bus 38

Tín hiệu: Có loại cable đơn và vi sai (chống nhiễu tốt hơn), cáccontroller support 2 loại tín hiệu Không nối 2 kiểu trên cùngbus Most: SingleEnd, RS6000 differential

SCSI Common Command Set: được gửi từ device driver, đượcdịch bởi th/bị => Adaptor không phải thay đổi khi gắn thêmthiết bị

SCSI subsystem gồm: Host adaptor (để interface giữa host system và subsystem), SCSI controller, bus, thiết bị

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

ưu tiên của các thiết bị, cao nhất là 7 (Controller)7– 6 – 5 – 4 – 3 – 2 – 1 – 0 –15 –14 – 13 – 12 – 11 – 10 – 9 – 8

8 data bit => 1 parity bit K/tra Data: ECC, địa chỉ CRC @ mỗisector

4.6 Small computer systems interface - SCSI

PROFIBUS DP (Distributed I/O):trao đổi sl với các slaves qui mô nhỏ, định kỳ, tốc độ cao

Profibus PA: Process Automation: IEC 61158-2: môi trường khắc nghiệt Số liệu và power chung line (PLC), 31.25 kbps

4.7 Siemens Process & Field bus – Profi bus

PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification):

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

S7/M7/C7 Families kiểu cell

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

- PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link): tương thích với các mạng con

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

24 pin connector: 16 lines: 8 data (DIO1 8), 1 command ATN; 3 handshake (DAV, NRFD, NDAC), 5

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

Twisted/ Logic Gnd, Shield Computer as Controller; các thiết bị khác là Talkers/

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

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

4.8 General Purpose Interface Bus - GPIB

P&I Ch4 - Bus 43

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

H×nh 4.17 GPIB connector & signals

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

Daisy chain extending to over 200' P1394 - PCI bus <=> Audio, Video devices, CD, disk, printer

Tree topology: 63 64k nodes (bridge across buses) Addressing single node, broadcasting all nodes, config time

< 400 us More than one PC can be connected to P1394 bus

4.9 IEEE 1394, Fire-wire

– IP Camera – IP RTU (hệ thiết bị nhúng cho đo lường và điều khiển xa)

• Ghép nối TBNV:

– Xem như 1 kiểu ghép nối TBNV – Embedded Ethernet/Webbase

P&I Ch4 - Bus 49

• Sơ lược về Ethernet

– 1970 Xerox Ethernet của Xerox PARC do Robert Metcalfe và David Boggs xây dựng

– Chuẩn Ethernet chủ yếu là các quy định và giao thức chuẩn hóa trên 2 tầng datalink và physical

– Kiến trúc cáp đồng trục dựa trên giao thức truyền đa điểm chống xung đột CSMA/CD với tốc độ 3Mbps khởi đầu của Ethernet

– Cáp 2 dây xoắn, song công tốc độ lên đến Gbps các mạng Ethernet.

4.10 Ethernet IEEE 802.3

P&I Ch4 - Bus 51

Cấu trúc Ethernet Port

• 5 major blocks:

– The PHY transceiver module that en/decodes the analog

data that is present on the twisted-pair interface and sends or receives it over the network

– The MAC module: that implements IEEE 802.3 compliant

MAC logic and provides Media Independent Interface Management (MIIM) to control the PHY

– RAM buffer for storing packets that have been received and

packets that are to be transmitted

– An arbiter to control access to the RAM buffer when

requests are made from the central system, DMA, transmit and receive blocks

– The register interface that functions as an interpreter of

commands and internal status signals between the module and the microcontroller’s SFRs

• Tự cấp nguồn cho PHY module

• LEDs: LED A và LED B ứng với phát/thu với thời gian 40/70/140ms (short/med/long)

• Oscillator and Timer: đảm bảo nhịp cho port

• Magnetics, termination and ext.:

– R (2.26k) chỉnh dòng BIAS, định biên độ áp ra– 02 biến áp xung, tỷ lệ 1:1, có điểm giữa để tạo và nhậntín hiệu vi sai từ cable

P&I Ch4 - Bus 55

Ethernet Buffer and Register space

• SRAM buffer chưa gói tin sẽ được nhận về hay gửi đi, địa chỉ buffer thưởng được chỉ bởi

pointer và theo kiểu circular FIFO buffer

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

• PHY Registers để chưa các chế độ điều khiển và trạng thái

Ethernet Interrupt

• Control Interrupt group:

– Receive/Transmit Error Interrupt – Transmit Interrupt

– Link change Interrupt: thay đổi trạng thái – DMA interrupt

– Receive packet pending

• ETHERNET INTERRUPTS AND ON-LAN

WAKE-P&I Ch4 - Bus 58

Chuẩn Ethernet 10/100Base-T 802.3i

• Tầng vật lý (PHY)

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

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

• Cáp xoắn đôi trần Unshieled Twisted Pairs,

• Đa số 10Base-T lập cấu hình dạng hình sao, nhưng bêntrong vẫn là cấu trúc dạng bus,

• Hub trong mạng 10Base-T được sử dụng multiportrepeater Mỗi máy tính được đặt ở điểm cuối của đoạn dâynối với hub

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

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

1024 máy tính

P&I Ch4 - Bus 59

PHY differential transformer

acknowledgment và khôi phục lỗi.

– MAC: chống xung đột, quyết định thời điểm ai được phép truy cập môi trường truyền dẫn và xác định bắt đầu và kết thúc một frame

P&I Ch4 - Bus 63

MAC:

FCS PAD

LLC data Length

Source Address

Destination Address SFD

Preamble

4

…

… 2

6 6

1 7

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

• SFD ( Start Frame Delimiter): là dãy 10101011

• Destination Address (6byte): dest station(s) address, là địa chỉvật lý duy nhất của trạm/nhóm (nhiều trạm)/ broadcast

• Source Address (6byte)

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

• LLC data

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

• FCS (Frame check sequence): kiểm tra lỗi CRC 32 bit cho tất cảcác vùng trừ Preamble, SFD và bản thân FCS

Lập nhóm nghiên cứu 1 loại bus để thiết kế ghép nối hệ thống (kết hợp với các chương sau)

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

giám sát/ điều khiển, Tốc độ,

Khoảng cách, Giao thức/ đối thoại thích hợp.

BÀI TẬP - BÀI TẬP LỚN CHƯƠNG 4