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.

---

♦ CLKRUN# — сигнал, используемый для указания на остановку шины (в мобильных системах), требуется только для устройств, нуждающихся в DMA/BusMaster в системах, способных останавливать шину PCI;

♦ РМЕ# — событие системы управления потреблением (Power Management Event), может вводиться периферией, как и в PCI;

♦ LPCPD# — Power Down, указание от хоста устройствам на подготовку к выключению питания;

♦ LSMI# — запрос прерывания SMI# для повтора инструкции ввода-вывода.

Сигналы LFRAME# и LAD[3:0] синхронизированы (являются действительными) по фронту LCLK. По шине LAD[3:0] в каждом такте цикла передаются поля элементов протокола. Обобщенная временная диаграмма цикла обмена по LPC приведена на рис. 6.15. Начало каждого цикла хост отмечает сигналом LFRAME#, помещая на шину LAD[3:0] поле START. По сигналу LFRAME# все ПУ должны прекратить управление шиной LAD[3:0], а по коду поля START они должны декодировать последующие события как цикл шины. В следующем такте хост снимет сигнал LFRAME# и поместит на шину LAD[3:0] код типа цикла CYCTYPE. Сигнал LFRAME# может длиться и более одного такта, но признаком начала цикла (поля START) является последний такт перед снятием сигнала. С помощью сигнала LFRAME# хост может принудительно прервать цикл (например, по ошибке тайм-аута), выставив соответствующий код.

Рис. 6.15. Протокол LPC

В поле START возможны следующие коды:

♦ 0000 — начало цикла обращения хоста к устройству;

♦ 0010 — предоставление доступа ведущему устройству 0;

♦ 0011 — предоставление доступа ведущему устройству 1;

♦ 1111 — принудительное завершение цикла (abort).

Остальные коды зарезервированы.

Поле CYCTYPE задает тип и направление передачи. Бит 0 задает направление (0 — чтение, 1 — запись), биты [2:1] — тип обращения (00 — порт, 01 — память, 10 — DMA, 11 — резерв), бит 3 — резерв (0).

Поле TAR (Turn-Around) служит для смены «владельца» шины LAD[3:0], оно занимает 2 такта. В первом такте прежний владелец помещает код 1111, во втором переводит буферы в третье состояние.

Поле ADDR служит для передачи адреса. В цикле памяти оно занимает 8 тактов (32 бита), в цикле ввода-вывода — 4 такта. Передача адреса начинается со старших битов (чтобы раньше срабатывал дешифратор адреса).

В поле DATA передаются данные. На каждый байт требуется 2 такта, передача начинается с младшей тетрады. Многобайтные передачи начинаются с младшего байта.

Поле SYNC служит для введения тактов ожидания устройством, к которому выполняется обращение. Оно может содержать следующие коды (остальные зарезервированы):

♦ 0000 — готовность (без ошибок), для DMA означает снятие запроса для данного канала;

♦ 0101 — короткое ожидание (несколько тактов);

♦ 0110 — длинное ожидание;

♦ 1001 — готовность и присутствие запроса для канала DMA (для других типов обращения недопустимо);

♦ 1010 — ошибка: данные переданы, но возникли условия, при которых на шинах PCI или ISA выработался бы сигнал SERR# или IOCHK# (для DMA также означает снятие сигнала запроса).

Поле синхронизации обеспечивает контроль передачи, введение тактов ожидания и механизм тайм-аутов. Начав цикл, хост читает поле синхронизации. Если в течение трех тактов адресованное устройство не ответит, хост считает, что его нет на шине, и прекращает транзакцию. Если приходит код короткого ожидания, хост дожидается его смены на готовность или ошибку, но после 8 тактов ожидания он прервет транзакцию по тайм-ауту. Код длинного ожидания может приходить сколь угодно долго, ответственность за отсутствие зависания ложится на адресованное устройство. При прямом управлении поле SYNC выставляется хостом, и устройство должно терпеливо ожидать готовности, без каких-либо тайм-аутов. В самом быстром варианте (без тактов ожидания) поле SYNC занимает один такт.

На рис. 6.16 приведена последовательность полей при обращениях хоста к памяти или портам (серым цветом помечены поля, вводимые устройством). Во всех этих обращениях передается по одному байту. Для чтения памяти, предполагая 5 тактов поля SYNC (время доступа к EPROM 120 нс), требуется 21 такт (0,63 мкс), что обеспечивает скорость чтения памяти 1,59 Мбайт/с. Если память конвейеризирована, то последующие обращения будут быстрее. Для записи в память поле SYNC займет 1 такт, а весь цикл — 17 тактов (0,51 мкс), что дает скорость записи 1,96 Мбайт/с. Обращения к портам за счет более короткой адресации и без тактов ожидания (1 такт SYNC) занимают по 13 тактов (0,39 мкс), что дает скорость 2,56 Мбайт/с для чтения и записи.

Рис. 6.16. Обращения к памяти и портам: а — чтение, б — запись

Для организации обмена по DMA и прямого управления хост должен иметь по одной входной линии LDRQ# для каждого подключенного устройства, использующего эти функции. По этой линии устройство передает состояние запросов каналов DMA в последовательном коде, как показано на рис. 6.17. Посылка начинается со старт-бита, за которой следуют код номера канала и бит запроса ACT: 1 (высокий уровень) — запрос активен, 0 — пассивен. Номер канала 4 (код 100) зарезервирован для прямого управления (он соответствует традиционно недоступному каналу DMA). Посылка передается при каждой смене состояния запросов. Нормально таким способом передается лишь запрос, а снятие его сигнализируется полем SYNC.

Рис. 6.17. Посылка запроса DMA или прямого управления

Передача данных DMA (рис. 6.18) выполняется под управлением хоста, но несколько отличается от обычных обращений к портам и памяти. Здесь появляются новые поля:

♦ поле SIZE определяет размер передачи: 0000 — 1 байт, 0001 — 2 байта, 0011 — 4 байта, остальные значения зарезервированы;

♦ поле CHANNEL служит для передачи хостом номера канала DMA (биты [2;0]) и признака конца цикла (TC, бит 3).

Рис. 6.18. Обращения DMA: а — чтение памяти, б — запись в память

Циклы чтения памяти, в зависимости от длины обращения (1, 2 или 4 байта), без тактов ожидания (они скрыты контроллером DMA) занимают 11, 18 и 32 тактов (0,33, 0,54 или 0,96 мкс), что обеспечивает производительность 3,03, 3,70 или 4,17 Мбайт/с соответственно. Циклы записи занимают 11,14 или 20 тактов (0,33, 0,42 или 0,60 мкс), что обеспечивает производительность 3,03, 4,76 или 6,67 Мбайт/с. На рисунке выделены рамкой последовательности полей, повторяющиеся при передаче 2 и 4 байтов.

Прямое управление шиной ведущее устройство запрашивает так же, как и прямой доступ, но указывая зарезервированный номер канала 4 (100). Предоставляя управление, хост в поле START задает номер мастера, который позже определит тип цикла (рис. 6.19). Прямое управление подразумевает обращение к ресурсам хоста (системной памяти, устройству PCI). Данные в 2- и 4-байтных передачах следуют друг за другом без зазора, но в циклах чтения памяти и портов всегда будут такты ожидания, поскольку потребуется время на арбитраж шины PCI или доступ к контроллеру памяти. Из расчета 6 тактов (меньше — вряд ли, возможно и больше) поля SYNC, циклы обращения к памяти (и чтения, и записи) потребуют 25, 27 или 31 такт (0,75, 0,81 или 0,93 мкс), что обеспечивает производительность 1,33, 2,47 или 4,30 Мбайт/с. За счет более короткой адресации обращение к портам быстрее — 21, 23 или 27 тактов (0,63, 0,69 или 0,81 мкс), что обеспечивает производительность 1,59, 2,90 или 4,94 Мбайт/с.

Рис. 6.19. Обращения периферийного устройства (Bus Master): а — чтение памяти или порта, б — запись в память (порт)

Электрический интерфейс для сигналов LAD[3:0], LFRAME#, LDRQ# и SERIRQ соответствует спецификации PCI 2.1 для питания 3,3 В. Остальные сигналы в зависимости от системной платы могут быть с уровнями как 5 В, так и 3,3 В.

Конфигурирование устройств LPC не предусматривает использования протоколов PCI или ISA PnP, поскольку все устройства LPC априорно известны системной BIOS. Для обращения к устройствам LPC хост должен декодировать их адреса и направлять обращения по ним на контроллер LPC.

6.5. Шины и карты расширения блокнотных ПК

Портативные и блокнотные ПК поначалу строились безо всяких попыток унификации и обеспечения взаимозаменяемости компонентов, но со временем ситуация изменилась. Сейчас существуют несколько основных интерфейсов и конструктивов для устройств расширения, наиболее популярные приведены в табл. 6.17.

Таблица 6.17. Конструктивы и интерфейсы периферии портативных ПК

  PC Card Small PC Card Длина 85,6 45,0 Ширина 54,0 42,8 Высота 3,3/5,0/10,5 3,3/5,0/10,5 Коннектор Штырьковый Штырьковый Число контактов 68 68 Интерфейсы Память, ввод-вывод, CardBus Память, ввод-вывод

Первый стандарт на карты расширения назывался PCMCIA. Впоследствии он был переименован в PC Card. Кроме слотов шин расширения блокнотные (и карманные) ПК могут иметь и слоты для подключения карт-носителей информации (см. п. 9.3).