6.5. Структурная схема эвм и иерархия средств подключения к ней периферийных устройств (м. Гук Шины usb, pci и FireWire 2005 г. Стр. 203-332)
Упрощенная структурная схема ЭВМ приведена на рис. 6.06.
Структура построена по классической схеме Фон-Неймановской ЭВМ, состоящей из трех основных частей:
а) процессор CP, выполняющий программы, хранящиеся в памяти IM
б) память IM
в) остальное можно отнести к устройствам ввода/вывода, которые часто называют периферийными устройствами (ПУ).
Процессор СР (или несколько), память IM и главный мост связаны между собой внутренней шиной (шиной процессора или системной шиной, которая недоступна для подключения внешних устройств). Всю эту часть называют центральной частью или ядром процессора. Со всеми остальными устройствами (ПУ) связь осуществляется через шины расширения PCI, шиной порта AGP, SCSI, ISA, USB и др. ПУ, не входящие в ядро процессора, можно разделить на несколько классов.
Устройства хранения данных (внешняя память):
- дисковая (магнитные, оптические, магнитооптические диски);
- ленточные (стримеры);
- твердотельные(карты, модули, флэш-памяти).
Все эти перечисленные устройства хранения данных энергозависимые, используются для загрузки хранящихся в них данных в оперативную память IM, с которой процессор работает непосредственно.
Устройства ввода/вывода, преобразующие информацию, обрабатываемую процессором (биты и байты) в форму, понятную окружающим потребителям и наоборот. Сюда относят мониторы, клавиатуру, мыши, принтеры, сканеры, плоттеры, акустические системы, теле- и видеокамеры, устройства управления и телеметрии и так далее.
Коммуникационные устройства, предназначенные для передачи данных между компьютерами или их частями, это модемы (проводные, радио, оптические, инфракрасные), адаптеры локальных и глобальных сетей, средства обмена между ПУ и ЭВМ и др.
Для обращения ЭВМ к ПУ может быть выделенное пространство адресов ввода/вывода отдельно от памяти IM, размер которого может составлять до 64 Кбайт.
В этой области располагаются адреса регистров ПУ разрядностью 1, 2, 4 байта, для обращения к которым есть команды IN, OUT, IS и OUTS.
Адреса регистров могут отображаться и в пространстве памяти (в выделенной области). В процессе взаимодействия процессора с компонентами ЭВМ, он всегда обращается к ячейке памяти или пространства ввода/вывода.
Таким образом, любое ПУ представляется набором регистров (ячеек) или источником прерывания.
Обмен данными между ПУ и процессором осуществляется через шины ввода/вывода, которые подразделяются на несколько видов (уровней).
Системная шина – для обмена между процессором, памятью IM и главным мостом.
Главный мост осуществляет преобразование сигналов, поступающих из ПУ (или в ПУ), «читаемых» процессором (или ПУ при выводе).
Шины расширения: SCSI, развивающаяся PCIxx, ISA и шина монитора.
ISA – отмирающая шина, ее интенсивно вытесняет шина USB, бурно развивающаяся, скорость передачи в которой сейчас ограничивается свойствами проводного кабеля, который вероятней всего может быть заменен оптоволоконным, пропускная способность которого практически неограниченна.
Достоинства USB: универсальность, благодаря удачной топологии подключения ПУ, развитого протокола обмена данными, большого числа одновременно подключаемых ПУ (до 127), высокой скорости обмена, возможности подключения (отключения на ходу) без перегрузки ОС.
ЕЕ хост-контроллер интегрирован во все современные системные платы. Применение USB пока ограничивается недостатком программного обеспечения ПУ, совместимого с протоколами обмена USB. Этот недостаток стремительно устраняется разработчиками ПУ.
Скорость передачи непрерывно растет:
Первая версия USB 1.0 – 1.5 Мбит/с – введена в 1996 г.
Вторая версия USB 2.0 – 12 Мбит/с – 1998 г.
Третья версия USB 3.0 – 480 Мбит/с – 2000 г.
Сейчас дорабатывается версия со скоростью более 600 Мбит/с.
6.6. Применение шины USB
Благодаря своей универсальности и способности эффективно передавать разнородный трафик, шина USB может применяться для подключения к РС самых разнородных устройств.
Скорее всего она полностью заменит традиционные порты РС – СОМ и LPT, порты игрового адаптера и интерфейса MIDI, шины ATA и SCSI, часть функций шины FireWire.
Перечислим основные области применения USB.
Устройства ввода: клавиатура, мышь, трэкболы, планшеты и т.д.
Здесь USB представляет единый интерфейс для разных устройств.
Принтеры – USB позволяет при наличии промежуточного хаба подключать несколько принтеров к одной ЭВМ.
Сканеры – USB позволяет отказаться от контроллера SCSI или от порта LPT, причем и увеличивать скорость передачи.
Аудиоустройства: колонки, микрофоны, головные телефоны (наушники). Обеспечивает высокое качество передачи при наличии преобразователя аналогового сигнала в цифровой в самом источнике. Может передавать аналоговый сигнал с последующим его преобразованием в цифровой в самом ПК, где есть звуковая карта.
Музыкальные синтезаторы и MIDI-контроллеры с интерфейсом для USB.
Фото и видеокамеры. USB позволяет передавать видеоданные (живое изображение) без сжатия (и естественно без потери качества). USB 2.0 и выше позволяет подключать устройства захвата видеосигнала (используются, например, при согласовании телевизионных сигналов стандартов SECAM, NTS и др.)
Коммуникации. С интерфейсом USB выпускаются разнообразные модемы, адаптеры высокоскоростной инфракрасной связи, сетевые адаптеры, подключаемые к компьютеру и др.
Выпускается USB и для связи двух ЭВМ, у которых 2 вилки типа А на концах. Напрямую соединять 2 ЭВМ обычной шиной USB нельзя, так как она имеет только один хост-контроллер.
Преобразователи интерфейсов позволяют подключать через порт USB и устройства, имеющие свои интерфейсы: Centronics, IEEE 1284 (порт LPT), RS 232 C (COM-порт) и другие последовательные порты. Разработаны переходники для подключения к шинам АТА, ISA и PC Card. Это позволяет избавиться в ноутбуках от перечисленных портов заменой их на USB порт.
Устройства хранения данных: диски, устройства чтения и записи CD и DVD, стримеры, флэшки, флэшкарты.
Игровые устройства: от джойстиков всех видов до автомобильных рулей на тренажерах.
Телефоны аналоговые и цифровые, что позволяет использовать ПК как автоответчик, секретаря, как пункт охраны.
Мониторы – здесь USB используется для управления параметрами монитора: яркостью, контрастностью, цветом.
Электронные ключи – устройства с любым уровнем интеллекта для защиты от несанкционированного доступа. Ключи могут выполняются прямо в корпусе вилки USB.
В современных ЭВМ портов USB может быть несколько, которые могут быть равноправными (поддерживать подключение на любой скорости), так и выделенными (часть их передает на высокой скорости, остальные – на средней и низкой).
Часть разъемов USB выводится на внешние панели, другая – на штырьковые разъемы прямо на системной плате. К этим разъемам можно подключать внешние через кабели, которые называют «выкидыши», с выводом например на свободные заглушки на панели.
Предупреждение: при подключении «выкидыша» недопустимо перепутать выводы +5 и земля, иначе подключаемое устройство сгорит.
Возможность подключения разнообразных устройств можно объяснить возможностью применения на шине USB разнообразных протоколов обмена, дескрипторов, описывающих устройства, и соответствующего ПО.
6.7. Организация шины USB
Шина USB состоит из четырех проводников: 2 провода для передачи данных и 2 провода для питания подключаемых устройств, если они потребляют не более 120 мА.
Разъемы бывают двух типов:
типа А: гнездо устанавливается только в нисходящих портах хабов, а вилки на кабелях внешних устройств (в восходящих портах).
типа В: используются в восходящих портах или для кабелей от внешних устройств.
Разъемы четырехконтактные:
№ контакта:
1 – Vbus (+5 В)
2 – + D
3 – -D
4 – земля GND.
Контакты 2 и 4 являются признаком дифференциального способа передачи сигнала (рис. 6.07 а).
Сигнал передается парафазным кодом +Uc и –Uс по линиям +D и –D.
Дифференциальный усилитель ДУ (компаратор) принимает разность напряжений: ∆U = (+Uc+Uпом)-(-Uc+Uпом) = 2Uc.
В шине может применяться дифференциальный способ передачи по витой паре (рис. 6.07 б).
ПУ как правило имеют линейные передатчики и приемники, которые используются на низких скоростях передачи по шине.
Переключение скорости передачи происходит при конфигурировании после определения параметров устройства. За этим следует хост-адаптер USB.
Хабы могут иметь световую индикацию (2 лампочки)
- лампочки не светятся – хаб не работает
- зеленый свет – нормальная работа
- желтый – ошибка в работе
- мигающие зеленый и желтый – требует внимания оператора (например, неоптимальная конфигурация).
Развита функция USB – управление энергопотреблением, например, если устройство потребляет >100 мА – оно будет отключено.
Каждое устройство при подключении к USB автоматически получает свой адрес.
Логически устройства представляют собой набор независимых точек, с которыми хост-контроллер обменивается информацией. Каждая точка имеет свой номер и описывается параметрами:
- требуемая частота доступа к шине и допустимая задержка обслуживания;
- требуемая частота пропускания канала (скорость передачи);
- требования к обработке ошибок;
- максимальные размеры пакетов передачи;
- тип передачи: дифференциальный или линейный;
- направление передачи (для передач массивов и изохронного обмена).
Организация подключения шины USB
USB имеет древовидную структуру, позволяющую подключать до 127 ПУ с помощью последовательных соединений типа «точка-точка» (рис. 6.08 а).
Уровней каскадирования может быть 5, не считая корневого хаба.
В узлах дерева находятся хабы, действующие как промежуточные устройства. Корневой хаб соединяет дерево с хост-компьютером. Внешние устройства – листья дерева, которые часто называют функциями.
Каждый хаб имеет ряд портов, к которыми могут подключаться как ПУ так и другие хабы.
Хаб копирует поступающие сообщения в свои выходные порты, поэтому сообщение, посланное компьютером, получают все ПУ, а ответит на него только адресуемое. Сообщение, посланное ПУ, поступит только к корневому хабу, то есть взаимодействие между ПУ минуя корневой хаб невозможно.
В этом основное отличие шин USB от других шин расширения.
Особенности структуры USB
О основе работы USB лежит принцип опроса ПУ. ПУ может отослать сообщение только в ответ на запрос хоста, следовательно конфликт между ПУ исключается, что позволяет применять простые и недорогие хабы.
Такой режим работы USB пригоден для всех внешних ПУ, работающих на невысоких скоростях. В таком режиме работает только USB 1.0. С появлением USB 2.0 и выше изменится режим ее работы, суть которого можно пояснить на рис. 6.08 б).
Допустим, во внешнее устройство D сообщение передается с низкой скоростью (нс) (1.5 Мбит/с). Это десятки миллисекунд на передачу пакета. Все это время другие сообщения передаваться не могут. Для решения этой проблемы протокол USB 2.0 обеспечивает передачу к хабу А по цепи высокой скорости (ВС), а от хаба А к ПУ D уже передает с низкой скоростью (НС), которая устраивает медленное устройство D. Для этого хаб А все время хранит сообщение для D на все время передачи к D. Следовательно, в это время корневой хаб может передавать сообщения для других ПУ, то есть шина USB сегментно делится между скоростями ВС, ПС и НС.
При этом сообщение для D предваряется и завершается специальными командами для хаба А с целью перехода его в режим разделения трафика, а потом выхода из него. Естественно, драйверы ПУ должны быть приспособлены для такого разделения трафика.