ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ТАЙМЕР I8254 Архитектура Компьютеров2011

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ ОТКАЗ ОТ НАСЛЕДУЕМЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ШИНА U S B ШИНА IEEE 1394 – FIRE-WIRE ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ТАЙМЕР I8254 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТАЙМЕРА I8254 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПОДСИСТЕМЫ ТАЙМЕРА В IBM PC Архитектура Компьютеров2011

ОТКАЗ ОТ НАСЛЕДУЕМЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ Сегодня, как и в первых моделях IBM PC, на задней панели компьютера можно найти разъемы стандартных интерфейсов : СОМ-порты, LPT- порт, интерфейсы клавиатуры и PS/2-мыши. Каждый интерфейс имеет свой контроллер, который использует «свой» запрос IRQ и свое АДРЕСНОЕ ПРОСТРАНСТВО портов ввода/вывода, что нередко приводит к конфликтам и требует «ручной конфигурации периферии».

Количество имеющихся портов и разъемов для подключения внешних устройств не соответствует нарастающему количеству внешней периферии. Кроме этого производительность существующих интерфейсов проектировалась под «очень древние» конкретные устройства и, например, подключение сканера к LPT-порту принтера определяет низкую скорость обмена и медленную работу всей системы.

ШИНА U S B К шине USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) можно одновременно подключить до 127-ми внешних устройств : клавиатуру, мышь, принтер, сканер, модем, цифровые аудиоколонки, внешний CD-ROM или CD-RW, видеокамеру и многое другое. Основные преимущества подключения периферии через шину USB : дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мб/с; полная поддержка в реальном времени передачи аудио- и сжатых видеоданных;· ·

динамическое подключение/отключение внеш- них устройств в процессе работы без выключения питания, даже без перезагрузки ОС; универсальность и простота самого процесса подключения - любое устройство может быть включено в любой свободный разъем; получение питания прямо от компьютера через унифицированный разъем без дополнительного шнура; USB-контроллер, к которому подключаются все устройства, использует только один запрос IRQ.

USB обеспечивает обмен данными между ХОСТ- КОМПЬЮТЕРОМ (управляющим, основным компь- ютером) и множеством одновременно доступных периферийных устройств. Распределение пропускной способности шины между подключенными устройствами планируется хостом и реализуется им с помощью посылки МАРКЕРОВ. Основные термины, относящиеся к USB : УСТРОЙСТВА (Device) USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий: полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигури- рование и сброс) и стандартное представление информации, описы- вающей устройство.

УСТРОЙСТВА могут являться «ХАБАМИ», «ФУН- КЦИЯМИ» или их комбинацией. ХАБ (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. ХАБ – ключевой элемент системы Plug-and-Play в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором, точки подключения называются ПОРТАМИ ХАБА. Каждый хаб преобразует одну точку подключения – в их множество. ФУНКЦИИ (Function) представляют собой устройства USB, способные передавать или принимать данные или управляющую информации по шине. Типично ФУНКЦИИ представляют собой отдельные периферийные устройства с кабелем, подключаемым к ПОРТУ ХАБА.

Центром каждой ЗВЕЗДЫ является ХАБ, каждый КАБЕЛЬНЫЙ СЕГМЕНТ соединяет две точки – ХАБ с другим ХАБОМ или ФУНКЦИЕЙ. В системе USB имеется только один ХОСТ- КОНТРОЛЛЕР, расположенный в вершине пирамиды УСТРОЙСТВ и ХАБОВ. Каждая ФУНКЦИЯ предоставляет ХОСТ-КОНТ- РОЛЛЕРУ конфигурационную информацию, описывающую ее возможности и требования к ресурсам. Перед использованием ФУНКЦИЯ должна быть сконфигурирована ХОСТОМ – ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны специфические опции конфигурации.

Примерами ФУНКЦИЙ являются: УКАЗАТЕЛИ – мышь, планшет, световое перо и др. УСТРОЙСТВА ВВОДА – клавиатура, сканер цифровая фото-камера и др. УСТРОЙСТВА ВЫВОДА – принтер, звуковые колонки (цифровые). Телефонный адаптер ISDN. НАКОПИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ на магнитных и оптических носителях, FLASH-ROM. Информационные сигналы и питающее напряжение +5В передаются по четырехпроводному кабелю. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть: низкий логический уровень – ниже 0,3В, высокий логический уровень – выше 2,8В.

Передатчики должны иметь возможность перехода в высокоимпедансное состояние для обеспечения двунаправленной полудуплексной передачи данных по одной паре проводов. Шина USB имеет два режима передачи: ПОЛНАЯ СКОРОСТЬ передачи сигналов – 12 Мбит/с и НИЗКАЯ СКОРОСТЬ – 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом (волновым сопротивлением) 90 Ом и длиной сегмента – до 5 м, для низкой – неэкранированный и невитой кабель при длине сегмента – до 3 м. Одна и та же система может использовать оба режима.

Сигналы синхронизации и данных кодируются по методу NRZI (Non Return to Zero Invert). Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. Новая спецификация USB-2.0 дополняет новые режимы передачи со скоростями в 40 раз большими (480Мбит/с). При этом появляется возможность передавать через шину USB потоки аудио и видеосигналов без сжатия.

ШИНА IEEE 1394 – FIRE-WIRE Стандарт для высокопроизводительной последова- тельной шины (High Performance Serial Bus), получивший официальное название IEEE 1394, был принят в 1995 году. Целью разработки являлось создание шины, не уступающей по производительности современным стандартным параллельным шинам, при существен- ном удешевлении и повышении удобств подключе- ния, достижимом при переходе на последовательный интерфейс. Стандарт основан на шине FireWire, используемой фирмой APPLE COMPUTER в качестве дешевой альтернативы шины SCSI в компьютерах MACINTOSH и POWERMAC.

Название FireWire (ОГНЕННЫЙ ПРОВОД) теперь применяется и к реализациям IEEE-1394, это название сосуществует и кратким обозначением Преимущества FireWire перед другими последова- тельными шинами: Многофункциональность: шина обеспечивает цифровую связь до 63 устройств без применения дополнительной аппаратуры (хабов). Устройства – цифровые камкодеры, сканеры, принтеры, дисковые накопители и др – могут обмениваться данными не только с компьютером (который не является обязательным для шины), но и между собой.

Высокая скорость обмена (100, 200 и 400 Мбит/с) и изохронные передачи позволяют передавать по шине одновременно несколько каналов «живого видео» без компрессии и аудиосигналы с качеством CD. Относительно НИЗКАЯ ЦЕНА компонентов и кабеля. Легкость установки и использования. FireWire расширяет систему Plug and Play. Устройства автоматически распознаются и конфигурируются при включении и отключении. Питание внешних устройств от шины током до 1,5 А. Управлять шиной может не только компьютер, но и другие «интеллектуальные» устройства.

В отличие от USB, управляемой одним ХОСТ-КОН- ТРОЛЛЕРОМ, стандарт 1394 предполагает соединение возможно равноправных устройств в сеть. В отличие от USB (в которой соединение двух и более компьютеров не предусмотрено) шины 1394 можно использовать и для объединения нескольких компьютеров и периферийных устройств в сеть Стандарт IEEE 1394 предусматривает связь узлов с помощью 6-ти проводного кабеля, заключенного в общий экран. Две витые пары используются для передачи сигналов (раздельные для приемника и передатчика), два провода используются для питания устройств (8-40 В, до 1,5 А).

Для гальванической развязки интерфейса используются трансформаторы или конден- саторы (в дешевых устройствах). Система допускает динамическое (горячее) подключение и отключение устройств. Идентификаторы подключаемым устройствам назначаются автоматически, без участия пользователя. Изменение топологии (состава подключенных устройств) автоматически отслеживается шиной и передается управляющему ПО.

ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ТАЙМЕР I8254 ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ТАЙМЕР (ПТ) I8254 предназначен для генерации времязадающих функций, программно-управляемых временных задержек с воз- можностью программного контроля их выполнения. Программируемый таймер I8254 включает три независимых канала, каждый из которых может быть запрограммирован на работу в одном из шести режимов для двоичного или двоично-десятичного счета. Каждый канал включает : 16-ти разрядный счетчик-таймер СЕ, работающий в режиме вычитания. Декремент содержимого СЕ осуществляется по спадающему «1- 0» фронту на входе CLK.

Структурная схема программи- руемого таймера i CR0 CE0 OL0 CL0 CLK 0 GATA 0 OUT 0 RSW0 RS0 COUNT 0 (Канал 0) COUNT 1 (Канал 1) CLK 1 GATA 1 OUT 1 COUNT 2 (Канал 2) CLK 2 OUT 2 GATA 2 Буфер Данных 8 Дешифр атор Адреса WR RD CS D0..D7 A1 A0

Максимальная частота входного сигнала - 8 МГц. 16-ти разрядный параллельный регистр констант пересчета CR. Содержимое регистра CR загружается в счетчик СЕ в зависимости от запрограммированного режима. 16-ти разрядный буферный регистр ОL, служащий для запоминания и хранения мгновенного значения счетчика СЕ, которое в любой момент может быть записано командой ЗАЩЕЛКА (CLC) или ЧТЕНИЕ СОСТОЯНИЯ КАНАЛА (RBC). После выполнения этих команд содержимое ОL можно считать в МП без остановки дальнейшего счета в СЕ.

Схема управляющей логики канала – CL – осуществляет управление входными и выходными сигналами канала – CLK, GATA, OUT – в зависимости от запрограммированного режима. 8-ми разрядный регистр управляющего слова – RSW загружается при программировании каждого канала. 8-ми разрядный регистр состояния канала RS, содержимое которого можно считывать в МП с помощью команды RBC - чтение состояния канала. Формат регистра состояния аналогичен формату управляющего слова, за исключением старших двух разрядов, что позволяет контролировать правильность загрузки управляющего слова.

Строб чтения данных из порта ~ RD и строб записи данных в порт ~ WR подаются от микропроцессора. Строб выбора микросхемы ~ CS формируется при дешифрации сигналов системной адресной шины SA2..SA15. Обычно для этой цели применяют Программируемые Логические Матрицы (ПЛМ). При нулевом уровне на входе ~ CS микропроцессор обменивается информацией с ПТ. Если на входе ~ CS – логическая 1, выводы данных таймера переводятся в Z-состояние и не мешают другим устройствам обмениваться с МП. CLK0..CLK2 – входы тактовых сигналов. Состояние счетчиков СЕ0..СЕ2 декрементируется по спадающему фронту тактовых сигналов.

GATA0..GATA2 – входы разрешения счета. OUT0..OUT2 – выходы счетчиков/таймеров. На адресные входы программируемого таймера А0, А1 подаются младшие разряды системной шины адреса SA0, SA1. Эти сигналы осуществляют адресацию к одному из каналов : А1А0Выбор канала 00Канал 0 01Канал 1 10Канал 2 11Загрузка управляющего слова или команд

Программирование ПТ начинается с загрузки в каждый канал УПРАВЛЯЮЩЕГО СЛОВА и КОНСТАНТ ПЕРЕСЧЕТА. При работе в двоичном коде (BCD = 0) константа пересчета может быть в диапазоне , В двоично-десятичном коде (BCD = 1) константа задается в диапазоне

Формат управляющего слова в каждом канале D0D7D6D5D4D3D2D1 SC1SC0RW1RW0M3M2M0BCD BCD = 0 – двоичный счет; BCD = 1 – двоично-деся- тичный счет. Выбор Канала: 00 – Канал 0; 01 – Канал 1; 10 – Канал 2; 11 – Код команды RBC. Порядок загрузки констант 00 – Код команды CLC; 01 – чтение/запись младшего байта; 10 – чтение/запись старшего байта; 11 – чтение/запись младшего, затем старшего байта. Выбор режима 000 – режим 0; 001 – режим 1; х10 – режим 2; х11 – режим 3; 100 – режим 4; 101 – режим 5.

Для чтения содержимого счетчиков имеется три метода: простое чтение; чтение на лету (защелкивание содержимого счетчиков командой CLC в регистр OL и последующее чтение этого регистра); обратное чтение (защелкивание содержимого счетчиков и регистров состояния командой RBC и последующее считывание). При простом чтении содержимого счетчика, выбираемого адресами А0, А1, работа счетчика должна быть приостановлена подачей GATE = 0. Перед чтением по второму методу – «чтение на лету» – необходимо записать команду CLC для канала, определяемого старшими битами команды Третий метод предполагает использование команды «Обратное чтение» – RBC.

По команде RBC могут выполняться две операции : защелкивание текущего значения счетчика(ов) и(или) защелкивание текущего значения регистра(ов) состояния – RS. Эта команда эквивалентна нескольким командам «Чтения на лету» – CLC (по одной на каждый счетчик). D7D6D5 1 – канал 0 11 COUN D0D4D3D2D1 0 CNT0CNT1CNT2STAT 1 – канал 1 1 – канал 2 0 – защелкнуть регистр состояния RS каналов, указанных в D1..D3 0 – защелкнуть текущий счет каналов, указанных в D1..D3 Код команды RBC «Обратное чтение» Формат команды «Обратное чтение» – RBC

Работа каналов в РЕЖИМЕ 0 Ждущий мультивибратор с программным запуском, формирует отрицательный импульс после программной записи константы. Низкий уровень сигнала на выходе OUT устанавливается сразу после загрузки управляющего слова. Счет разрешается единичным логическим уровнем на входе GATA. На время, пока GATA = 0, счет останавливается. Изменение состояния счетчика СЕ осуществляется по спадающему фронту сигнала на входе CLK, причем по первому тактовому сигналу CLK происходит загрузка счетчика СЕ константой из регистра CR, и только второй тактовый сигнал CLK декрементирует состояние счетчика СЕ. После отсчета загруженного числа устанавливается сигнал OUT = 1. Таким образом, сигнал OUT = 0 удерживается на время N периодов входной тактовой частоты (где N – загруженная константа).

Временные диаграммы работы ПТ в РЕЖИМЕ 0 и в РЕЖИМЕ 4 t t t t N=4 CLK WR УСN= FF43 OUT Режим 0 Режим 4 В РЕЖИМЕ 4 – при загрузке управляющего слова выход OUT устанавливается в единичное состояние. Режим 4 отличается от режима 0 тем, что выходной сигнал OUT устанавливается в нуль на один период входной тактовой частоты CLK по окончании счета

Работа каналов в РЕЖИМЕ 1 и РЕЖИМЕ 5 Ждущий мультивибратор с аппаратным запуском импульсами со входа GATA В РЕЖИМЕ 1 на выходе OUT устанавливается высокий логический уровень при загрузке управляющего слова. Загрузка константы пересчета не изменяет состояние выхода. По спадающему фронту сигнала CLK после окончания импульса на входе GATA выход OUT устанавливается в низкий логический уровень и возвра-щается в единичное состояние после окончания счета. Режим 1 является режимом с перезапуском. Каждый импульс на входе GATA загружает константу пересчета из регистра CR в счетчик СЕ и начинается формирование нового отрицательного импульса на выходе OUT. Длительность импульса пропорциональна константе N. РЕЖИМ 5 отличается от режима 1 тем, что отрицательный импульс, длительность которого равна периоду входной тактовой частоты CLK, формируется по окончании счета.

Временные диаграммы работы ПТ в РЕЖИМЕ 1 и в РЕЖИМЕ 5 t t CLK WR УСN=3 3210FF321 t t OUT Режим 1 Режим 5 GATA

Работа каналов в РЕЖИМЕ 2 и РЕЖИМЕ 3 Делитель входной частоты CLK на коэффициент пересчета N (делитель с программируемым коэффициентом деления). В РЕЖИМЕ 2 канал работает как делитель входной частоты CLK на коэффициент пересчета N. Сразу после загрузки управляющего слова на выходе OUT устанавливается единичный сигнал. После загрузки константы пересчета и при единичном уровне на входе GATA начинается формирование на выходе OUT отрицательных импульсов, длительностью в один период сигнала CLK, и частотой в N раз меньше. Режим 2 является режимом с автозагрузкой, т.е. после окончания счета содержимое регистра СR загружается в счетчик СЕ и продолжается его декремент. РЕЖИМ 3 аналогичен режиму 2, но отличается тем, что выходной сигнал OUT имеет скважность 2. При нечетном коэффициенте пересчета длительность единичного уровня на выходе OUT на один период больше длительности нулевого уровня.

Временные диаграммы работы ПТ в РЕЖИМЕ 2 и в РЕЖИМЕ 3 t t CLK WR УС N=4 t t OUT Режим 2 Режим 3 0 4

Таймер i8254 в архитектуре IBM PC AT+ Архитектура IBM PC AT+ использует подсистему трехканального 16-ти разрядного ПРОГРАМ- МИРУЕМОГО ТАЙМЕРА i8254 в качестве системного таймера: Выход КАНАЛА 0 (OUT0), использующего режим 3, связан с IRQ0 контроллера прерываний i8259А и обеспечивает прерывание системных часов реального времени с частотой 18,2 Гц. Выход КАНАЛА 1 (OUT1), использующего режим 2, генерирует сигнал запроса регенерации динамической RAM. Выход КАНАЛА 2, используя режим 3, генерирует тональный сигнал для громкоговорителя.

Структурная схема подсистемы таймера в IBM PC Запрос Refresh 1,193 МГц D0..D7 A0, A1 WR, RD,CS GATA0 CLK 0 GATA1 CLK 1 GATA2 CLK 2 I8254 OUT 0 OUT 1 OUT 2 Cистемная шина +1 Разряд «0» порта 61h На IRQ 0 i8259A C D R TT +1 Refresh & Разряд «1» порта 61h к громко- говорителю

Порты, используемые для программирования таймера Адрес портаФункция 40h Чтение или запись счета для канала 0 (системные часы) 41h Чтение или запись счета для канала 1 (запрос регенерации) 42h Чтение или запись счета для канала 2 (тональный сигнал громкоговорителя) 43h Запись управляющего слова и команд CLC, RBC

Задание 1. Сформировать на выходах OUT0-OUT2 вычитающий счетчик от 7 до 0. OUT2 - старший разряд. 0 OUT 1 OUT OUT 0 t t t CLK t

Результаты анализа

Задание 2. Получить на выходе 1-го канала, запрограммированного в 4-м режиме, сигнал высокого уровня длительностью 960 нс.

Задание 3. Получить на выходе 2-го канала, запрограммированного в 1-м режиме, используя вход GATA, два такта импульсов периодом 960 нс с одинаковыми по длительности отрицательными и положительными полупериодами.

Задание 4. Прочитать командой CLC содержимое СЕ 0-го канала на 800-й нс. Константа = 95, режим работы - 5.

Задание 5. Прочитать командой RBC содержимое СЕ и слово состояния 1-го канала. Константа = 60, режим работы - 0.

Вопросы для экспресс-контроля Перечислите недостатки устаревших интер- фейсов Назовите основные параметры интерфейса USB Назовите основные параметры интерфейса FIRE-WIRE Назначение программируемого таймера Основные режимы работы программи- руемого таймера Основные функции таймера 8254 в архи- тектуре IBM PC

ЛЕКЦИЯ ОКОНЧЕНА СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ