Михаил Гук - Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия

• Название: Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия
• Автор: Михаил Гук
• Издательство: Издательский дом «Питер»
• Жанр: Все книги в жанре Компьютерное "железо"
• Год: 2002
• ISBN: 5-94723-180-8

Книга посвящена аппаратным интерфейсам, использующимся в современных персональных компьютерах и окружающих их устройствах. В ней подробно рассмотрены универсальные внешние интерфейсы, специализированные интерфейсы периферийных устройств, интерфейсы устройств хранения данных, электронной памяти, шины расширения, аудио и видеоинтерфейсы, беспроводные интерфейсы, коммуникационные интерфейсы, вспомогательные последовательные интерфейсы. Сведения по интерфейсам включают состав, описание сигналов и их расположение на разъемах, временные диаграммы, регистровые модели интерфейсных адаптеров, способы использования в самостоятельно разрабатываемых устройствах. Книга адресована широкому кругу специалистов, связанных с эксплуатацией ПК, а также разработчикам аппаратных средств компьютеризированной аппаратуры и их программной поддержки.

---

В состоянии Pause-IR контроллер временно запрещает продвижение данных через сдвиговый регистр инструкций.

В состоянии Update-IR по спаду TCK фиксируется новая исполняемая инструкция, и в цепь TDI-TDO включается соответствующий ей регистр.

Кроме этих основных состояний контроллера, определяющих действия тестового оборудования, имеются и временные промежуточные состояния, необходимые для реализации переходов автомата. К ним относятся Select-DR-Scan, Exit1-DR, Exit2-DR, Select-DR-Scan, Exit1-IR и Exit2-IR.

Для интерфейса JTAG существует специальный язык описания устройств BSDL (Boundary Scan Description Language). Состав и порядок следования информационных и управляющих ячеек в сдвиговом регистре данных специфичен для каждого устройства (для чего и существует идентификационный регистр) и сообщается его разработчиками.

Интерфейс JTAG используется не только для тестирования, но и для программирования различных устройств, в том числе и энергонезависимой памяти микроконтроллеров. Контакты для сигналов JTAG имеются на шине PCI, однако в их использовании единообразия не наблюдается (либо остаются неподключенными, либо соединяются для организации цепочки). Интерфейс JTAG имеется в современных процессорах; здесь он позволяет не только тестировать сам процессор (это не представляет особого прикладного интереса), но и организовать зондовый режим отладки (probe mode, см. [6, 7]). Зондовый режим является мощным средством отладки системного программного обеспечения; обычный процессор, связанный с тестовым контроллером интерфейсом JTAG, превращается во внутрисхемный эмулятор — мечту разработчика системного ПО.

11.5. Программно-управляемая реализация последовательных интерфейсов

Рассмотренные выше интерфейсы — I²C, SMBus, SMI, SPI и JTAG — имеют общее свойство: они управляются и синхронизируются контроллером и не требуют фиксированной частоты синхронизации. Это позволяет для многих применений программно реализовать их на любом компьютере или микроконтроллере. На рис. 11.9 приведена схема простейшего адаптера интерфейсов I²C, SMBus или SMI для LPT-порта. Здесь сигнал SCL (или MDC в SMI) формируется непосредственно от выходной линии Strobe; для его переключения достаточно последовательно записывать в бит 0 регистра CR (порт с адресом LPT_BASE+2) нули (высокий уровень сигнала) и единицы (низкий). Двунаправленный сигнал SDA (MDIO в SMI) реализуется чуть сложнее: для передачи нуля в бит 1 регистра CR (LPT_BASE+2) записывается единица, для передачи единицы — нуль. На время чтения в этот бит должен быть записан нуль (чтобы на выходе был высокий уровень), данные (инверсные) считываются из бита 7 регистра SR (LPT_BASE+1). В адаптере должен использоваться диод с малым прямым падением напряжения. Лучше всего для этого подходят германиевые меза-диоды Д310 или Д311; кремниевые диоды, даже с барьерами Шоттки, здесь работают хуже (возможен слишком высокий формируемый уровень нуля).

Рис. 11.9. Адаптер трехпроводных интерфейсов для LPT-порта

Программная реализация протоколов в среде DOS и Windows 9x не вызывает особых затруднений, поскольку здесь программист может обращаться к регистрам порта непосредственно. В более защищенных ОС (UNIX, Linux, Windows NT/2000) для обращения к регистрам LPT-порта требуются вызовы API.

При использовании данных адаптеров следует внимательно относиться к проблемам защиты от помех. Непосредственно с адаптера сигналы можно передавать лишь на небольшие расстояния (десятки сантиметров). Для передачи на большие расстояния (если ПК не приблизить к объекту) подойдут преобразователи уровней сигналов ТТЛ в дифференциальные сигналы интерфейса RS-422 и обратно. При этом адаптер разделяется на 2 блока, соединенные кабелем, — первый блок устанавливается на LPT-порт, другой — около подключаемого объекта.

Несколько сложнее получаются адаптеры этих интерфейсов для СОМ-портов. Здесь можно программно генерировать сигналы DTR и RTS и считывать состояния сигналов CIS, DSR, DCD и RI. Усложнение заключается в необходимости использования преобразователей уровней сигналов RS-232C в ТТЛ (для этого выпускается ряд микросхем, например фирмами Maxim, Sypex), для которых требуется подача питания.

Для интерфейсов SPI и JTAG тоже можно использовать LPT-порт, здесь даже не требуется организация двунаправленных линий. Сигналы SCK и MOSI (SPI), TCK, TMS, TDO и TRST (JTAG) можно подключить к любым выходным линиям порта, MISO (SPI), TDI (JTAG) — к любой входной линии. Простейший адаптер содержит лишь последовательные резисторы 100–150 Ом, включенные в сигнальные цепи для уменьшения «звона» и влияния кабеля на схему. Однако такая схема может надежно работать лишь при небольшой длине кабеля (20–30 см), что не всегда удобно. Более надежна и удобна схема с буферами, способными переходить в высокоимпедансное состояние (например, 74НС244 или 1556АП5). Плата с буфером может соединяться с LPT-портом довольно длинным кабелем, а от нее к устройству идет короткий кабель. Программно-управляемый перевод буфера выходных сигналов в третье состояние позволяет логически отключать адаптер от программируемой схемы, что особенно удобно в процессе отладки программируемых устройств. Именно так устроен популярный адаптер «ByteBlaster», применяемый для программирования конфигурируемой логики фирмы Altera и других. Адаптер вместе с ПО может обеспечивать протокол SPI (быть ведущим устройством в варианте с двухточечной топологией), JTAG и собственный протокол программирования устройств «Serial Passive». Схемы различных адаптеров и ПО для них можно легко найти в Сети.

Программная реализация последовательных протоколов ограничивает скорость передачи данных на уровне 50-150 Кбит/с при работе LPT-порта в стандартном режиме. В режиме EPP или ECP можно достичь скорости и 1–2 Мбит/с, но при этом адаптер несколько усложняется (поскольку в этих интерфейсах требуется одновременно принимать и передавать данные). Решить проблему производительности, а заодно и расширить функциональные возможности позволяет использование специализированных интерфейсных адаптеров для шин PCI или ISA, выпускаемых рядом фирм. Есть и внешние устройства с интерфейсами USB или Ethernet. Правда, цена этих адаптеров и устройств существенно отличается от цены простого адаптера, который можно изготовить и самостоятельно.

Глава 12 Архитектурные компоненты IBM PC-совместимого компьютера

Аппаратные интерфейсы, описанные в книге, в IBM-PC-совместимом компьютере «живут» в специфическом архитектурном окружении. Эту специфику приходится учитывать при проектировании аппаратной части устройств, чтобы обеспечить с ними эффективное программное взаимодействие. В этой главе вкратце рассматриваются особенности процессоров x86 и связанные с этими особенностями распределение памяти, организация ввода-вывода и прерываний. Здесь же рассматривается традиционный контроллер DMA, системные средства измерения времени, а также способы внедрения собственных расширений BIOS и нетрадиционной (бездисковой) загрузки ПО в специализированные компьютеры на базе IBM PC.

12.1. Пространство физической памяти

Основную часть физического адресного пространства PC занимает оперативная память (ОЗУ), начинающаяся с нулевого адреса. В нее вклинивается область адресов A0000h-FFFFFh — Upper Memory Area (UMA), 384 Кбайт — верхняя память, зарезервированная со времен IBM PC для системных нужд. В UMA размещаются области буферной памяти адаптеров шины (E)ISA (например, видеопамять) и постоянная память (BIOS с расширениями). ОЗУ продолжается и за областью UMА. Под самой верхней границей физического адресного пространства имеется образ памяти системной ROM BIOS.

Для доступности сервисов BIOS в реальном режиме все ПК имеют образ ROM BIOS в адресах E0000h-FFFFFh или F0000h-0FFFFFh. Кроме того, образ BIOS должен находиться и под самой верхней границей адресного пространства, поскольку все процессоры х86 по аппаратному сбросу стартуют с адреса начала последнего параграфа памяти (FFFF0h — 8086/88, FFFFF0h — 80286 и 386SX, FFFFFFF0h — 386DX и выше с 32-разрядной шиной адреса, FFFFFFFF0h — P6 и выше с 36-разрядной шиной адреса).

Для компьютеров класса АТ-286 и 386SX с 24-битной шиной адреса верхняя граница оперативной памяти — FDFFFFh (максимальный размер 15,9 Мбайт). Область FE0000h-FFFFFFh содержит образ ROM BIOS, обращение к этой области эквивалентно обращению к ROM BIOS по адресам 0E0000h-0FFFFFh.

Для ПК на процессорах 386DX и выше с 32-битной шиной адреса теоретический предел объема ОЗУ — почти 4 Гбайт, верхний образ BIOS находится в адресах FFFE0000h-FFFFFFFFh. Для ПК на процессорах P6+ с 36-битной шиной адреса предел объема ОЗУ — почти 64 Гбайт и верхний образ BIOS находится в адресах FFFFE0000h-FFFFFFFFFh.