Bài giảng Thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối - Chương 4: I/O interface bus overview - Bùi Quốc Anh

1P&I Ch4 - Bus 1 CH 4. I/O INTERFACE BUS OVERVIEW GIỚI 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 – ... P&I Ch4 - Bus 2 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] 2P&I Ch4 - Bus 3 Phân loại bus • Bus size: data 8, 16, 32 bit ~ 16/24/32 Address bus, các bus nối tiếp khả năng quản lý được bao nhiêu thiết bị: USB ~ 127, IEEE1394~64k) • Parallel vs Serial • Tốc độ vận chuyển MB/s – tốc độ max, chú ý chọn năng lực bus gấp 10 lần tốc độ trung bình • Cấu trúc: – Tách biệt: Address, Data, Control – có thể có multi plexed mode (x86) – Dùng cho Burst Mode: Single address first, data packet after. – 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 P&I Ch4 - Bus 4 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 không dùng slot • 8/ 16 bit for data transfers • 4,77 => 8,33 MHz/11.1MHz => 2.75 MWps/5.5 MWps max, 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 3P&I Ch4 - Bus 5 Hình 4.1. AT/ ISA/ PC 104 bus P&I Ch4 - Bus 6 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 4P&I Ch4 - Bus 7 4.2. Universal serial bus - USB: P&I Ch4 - Bus 8 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) 5P&I Ch4 - Bus 9 4.3. USB: specifications Chỉ có 1 USB host (USB Controller) trong hệ Devices, có 2 loại: Hub, mở rộng thêm thiết bị nối vào USB Các thiết bị chức năng như ISDN, JoyStick, KB, Printer, Digital Camera, Mass Storage... 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 10 Ưu điểm: Tín hiệu vi sai phát/ thu, bọc kim, chống nhiễu CRC Protection đ/v data & control fields Tự phát hiện attach/ detach, xác định cấu hình các thiết bị tự động ở mức hệ thống TimeOut đ/v trường hợp mất gói tin/ gói tin lỗi 6P&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 12 7P&I Ch4 - Bus 13 P&I Ch4 - Bus 14 8P&I Ch4 - Bus 15 P&I Ch4 - Bus 16 9P&I Ch4 - Bus 17 P&I Ch4 - Bus 18 10 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, bảo hiểm y tế, giải mã cho các bộ thu truyền hình vệ tinh, tín dụng có cập nhật thông tin. – Communication devices: thiết bị thoại (analog phone/modem, ISDN adaptor, digi phone) và các thiết bị mạng tốc độ trung bình (ADSL modem, 10/100base- Ethernet adapter và hub) P&I Ch4 - Bus 20 – 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 trên bus 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, joystickThường 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 dữ liệu 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 cấp cho phép việc truy cập các file hình ảnh trong bộ nhớ của camera với các lệnh xóa, copy, move, forrmat 11 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) P&I Ch4 - Bus 22 4.4. Philips I2C bus version 2.1. jan. 2000 • Philips, 1992 Ver. 1.0;... 1998 Ver 2.0, 2000: Ver 2.1, dùng cho các hệ thống nhúng (embeded systems) như mobil phone, TV, pay phone, ATM... • 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 Addr Decoder và ‘glue logic’, dùng phần mềm • Truyền đồng bộ, 100 kb/s Standard-mode, 400 kb/s Fast-mode, 3.4Mb/s HiSpeed-mode 12 P&I Ch4 - Bus 23 P&I Ch4 - Bus 24 Có thể nối nhiều Masters, trong 1 t/đ chỉ 01 BM’s Active 13 P&I Ch4 - Bus 25 H. 410a. Synchronous Serial Data & Clock P&I Ch4 - Bus 26 14 P&I Ch4 - Bus 27 Start(Rep Start, S) SCL=1, SDA=  Stop (P): SCL=1, SDA=  P&I Ch4 - Bus 28 15 P&I Ch4 - Bus 29 Multi byte R/W :Addr auto Inc/ Dec; Master/ Slave :Send A[ck] (=0) hoặc /A (NACK) (=1) tùy thuộc bit tiếp theo là data hay Stop P&I Ch4 - Bus 30 Ví dụ dùng I2C bus: • uC dùng ATmega8, RTC: Dallas RTC 1307, 1308: 64 byte RAM & Real Time Clock, • Philips PCF 8593, Low Power Clock/ Calendar • Atmel 93C46/24C96... EEROM 16 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] ); } P&I Ch4 - Bus 32 Ví dụ READ I2C bus DS1307 Void Read_DS1307(char* buff , byte len) // buff là bộ đệm nhận, len là số byte cần đọc { char i ; I2C_Write(0xD1); for(i=0;i<len;i++) buff[i] = I2C_Read(); } 17 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 high I2C_Write(address & 0xff ) ; // 8bit address low for(i=0;i<len;i++) I2C_Write( buff[i]); } P&I Ch4 - Bus 34 Char Read_24C04(usigned int address) // đọc từ EEROM address là địa chỉ cần đọc { char i ; I2C_Write(0xD0); // Write address first I2C_Write(address >> 8) ; // 8bit address high I2C_Write(address & 0xff ) ; // 8bit address low I2C_Write(0xD1); // Read out data Return ( I2C_Read() ); } 18 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 việc dùng MultiTasking OS). - Burst mode: 32 bit @33MHz --> 96..132MBps, tuỳ thuộc số byte (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 P&I Ch4 - Bus 36 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 19 P&I Ch4 - Bus 37 P&I Ch4 - Bus 38 Tín hiệu: Có loại cable đơn và vi sai (chống nhiễu tốt hơn), các controller support 2 loại tín hiệu. Không nối 2 kiểu trên cùng bus. Most: SingleEnd, RS6000 differential. SCSI Common Command Set: được gửi từ device driver, được dịch bởi th/bị => Adaptor không phải thay đổi khi gắn thêm thiết 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 @ mỗi sector 4.6. Small computer systems interface - SCSI 20 P&I Ch4 - Bus 39 Giới thiệu: Môi trg công nghiệp, chuẩn EN 50170-1-2 Kết nối những thiết bị vào ra phân tán, thông minh (PLCs, Motor drivers, ), 1 trong những layers của mạng CN: SINEC-L2 Bao gồm các giao thức: 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 P&I Ch4 - Bus 40 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 - Spec.: - Token bus: cho nhiều masters (active nodes) Master - Slaves - >1km (RS-485) và 9.6km (Optical Fiber) - Mã hóa Manchester II độ tin cậy và chống nhiễu tốt 21 P&I Ch4 - Bus 41 Hình 4.15. Mạng PROFIBUS P&I Ch4 - Bus 42 As known IEEE 488; HPIB (Hewlette-Parkard Interface Bus), IEC 625 bus Được thiết kế để kết nối mạng máy tính với các thiết bị ngoại vi, đo lường - kiểm nghiệm, lab... kiểu Program- mable Instrumentation 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 22 P&I Ch4 - Bus 43 H×nh 4.16. Mét sè PC's GPIB interface cards P&I Ch4 - Bus 44 H×nh 4.17. GPIB connector & signals 23 P&I Ch4 - Bus 45 H×nh 4.18. IEEE-488 Instrumentation & connector P&I Ch4 - Bus 46 IEEE 1394 serial bus, 1997, by Apple & TI, thay thế SCSI Upto 63 nodes (devices) connect to a PC, hot plugible High speed: 60 to 400 Mb/s (7.5 to 50 MB/s) 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 24 P&I Ch4 - Bus 47 Hình 4.19. Sơ đồ ghép nối các ngoại vi qua IEEE 1394 bus P&I Ch4 - Bus 48 4.10. IP RTUs • Ethernet: là kênh dùng để kết nối mạng LAN... được mở rộng ghép nối các thiết bị ngoại vi kiểu IP: – 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 25 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 50 26 P&I Ch4 - Bus 51 Cấu trúc Ethernet Port P&I Ch4 - Bus 52 • 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. 27 P&I Ch4 - Bus 53 P&I Ch4 - Bus 54 Physical interface and ext. connections • Signals: – TPIN- và TPIN+: cặp tín hiệu VÀO vi sai – TPOut- và TPOut+: cặp tín hiệu RA vi sai • 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 nhận tín hiệu vi sai từ cable 28 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 P&I Ch4 - Bus 56 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 WAKE- ON-LAN 29 P&I Ch4 - Bus 57 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 bên trong vẫn là cấu trúc dạng bus, • Hub trong mạng 10Base-T được sử dụng multiport repeater. Mỗi máy tính được đặt ở điểm cuối của đoạn dây nối 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 30 P&I Ch4 - Bus 59 PHY differential transformer P&I Ch4 - Bus 60 31 P&I Ch4 - Bus 61 Ethernet cabling • Chuẩn 10/100Base-T dùng cáp đôi dây xoắn, thông dụng cáp Thin Cat. 5. • Dây số 1-2 là cặp dây vi sai dùng để phát, cặp 3-6 là thu. • Cáp nối thẳng: được sử dụng khi kết nối thiết bị đầu cuối với hub/switch, • Cáp nối chéo: nối 2 thiết bị đầu cuối với nhau, đối với cáp chéo: 2 cặp 1-2 và cặp 3-6 được đấu chéo vào nhau, cửa truyền của thiết bị này sẽ nối với cửa nhận của thiết bị kia và ngược lại. P&I Ch4 - Bus 62 Link Layer: • Cung cấp các phương tiện để phát hiện và có thể sửa lỗi từ tầng vật lý. • 2 lớp con: Logical link control và MAC (media access control): – LLC: liên kết hoạt động phía trên và theo option sẽ cung cấp chức năng điều khiển lưu lượng, 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 32 P&I Ch4 - Bus 63 MAC: FCSPADLLC data LengthSource Address Destination Address SFDPreamble 426617 • 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 chỉ vật 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 cả các vùng trừ Preamble, SFD và bản thân FCS. P&I Ch4 - Bus 64 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