Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

Transkript

1 Počítačové systémy Vnější sběrnice Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

2 Obsah přednášky Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

3 Sběrnice RS-232 Základní vlastnosti sběrnice RS-232 Charakteristika RS-232 původně pro komunikaci dvou zařízení do vzdálenosti 20 m informace přenášena větším napětím, než je standardních 5 V větší odolnost proti rušení asynchronní přenos pomocí pevně nastavené přenosové rychlosti a synchronizace sestupnou hranou startovacího impulzu problémy se zemními smyčkami Délka vedení RS 232 maximální možná délku vodičů je dle standardu 15 metrů, nebo délka vodiče o kapacitě 2500 pf (při zachování jmenovité kapacity je možné prodloužit vzdálenost až na cca 50 metrů). Pro přenos dat na větší vzdálenosti je výhodnější používat rozhraní RS-422, RS-485, či proudovou smyčku (odolná proti rušení, smyčkou teče/neteče proud 20 ma; na proudovou smyčku se převádějí pouze signály RxD a TxD). Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

4 Sběrnice RS-232 Zařízení na sběrnici RS-232 RS 232 RS 232 DTE DCE DCE DTE DTE (Data Terminal Equipment) počítač nebo terminál DCE (Data Communications Equipment) modem nebo plotter Úrovně napětí Driver side +15 volts +5 volts 0 volts 5 volts 15 volts Absolute Max voltage+25 volts Logic 0 Logic 1 Absolute Max voltage 25 volts Receive side +15 volts +3 volts 3 volts 15 volts Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

5 Sběrnice RS-232 Složení signálů RxD, TxD Start bit slouží k indikaci zahájení vysílání. Přepne signál na log. 0. Datové slovo data ve kódu NRZ (nejméně významný bit první) Parita zabezpečení přenosu sudá parita : počet jedničkových bitů + paritní bit = sudé číslo lichá parita : počet jedničkových bitů + paritní bit = liché číslo nulová (space) parita : paritní bit je vždy v log. 0 (pro komunikaci 7-bit. zařízení s 8-bit.) mark parita : Paritní bit je nastaven na log. 1 Stop bit definuje ukončení přenosového rámce (délka 1, 1.5, 2 bity) Průběh signálů RxD, TxD DATA LINE DATA WORD PARITY START BIT STOP BIT BIT 1 0 CLOCK LINE Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

6 Sběrnice RS-232 Signály sběrnice a řízení přenosu Řízení toku dat hardwarové přenos je řízen signály RTS, CTS softwarové přenos je řízen znaky XON (17), XOFF (19) zpomaluje komunikaci zjednodušuje kabeláž Signály sběrnice RS-232 (varianta pro rozhranní Cannon 9) Pin Označení Směr Název Popis 1 CD Carrier Detect indikuje, že modem zachytil nosnou 2 RXD Receive Data vstup sériových dat 3 TXD Transmit Data výstup sériových dat 4 DTR Data Terminal Ready informuje modem že DTE je připraveno na spojení 5 GND System Ground 6 DSR Data Set Ready indikuje, že modem je připraven vytvořit spojení 7 RTS Request to Send informuje modem, že DTE je připraveno na výměnu dat 8 CTS Clear to Send indikuje, že modem je připraven přenášet data 9 RI Ring Indicator indikuje vyzvánění Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

7 Sběrnice RS-422 Základní vlastnosti RS-422 Charakteristika RS-422 plně duplexní, 4 vodičová diferenciální linka používá jeden pár vodičů pro signál RxD a druhý pro signál TxD stejná implementace komunikace jako pro RS-232 linky mohou být vedeny až na vzdálenost 1600m (vodiče s kapacitou do 65pF/m) a lze je větvit (až 10 uzlů na větvi) vhodné pro nejrůznější přenosy dat v průmyslovém prostředí neobsahuje pomocné řídící signály musí být nahrazeny komunikačním protokolem Provedení nevětvené RS-422 linky RxD TxD a b a b TxD RxD Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

8 Sběrnice RS-485 Základní vlastnosti RS-485 Charakteristika RS-485 dvouvodičový, polo-duplexní, diferenciální komunikační standard pro vzdálenosti až do 1200m. RS-485 pouze stanoví elektrické charakteristiky, ale již nedoporučuje žádný protokol rychlost přenosu 100kb/s na vzdálenost 1200m - 10Mb/s do vzdálenosti 12m RS-485 sít může zajistit spolehlivou komunikaci i v elektricky zarušeném prostředí Schéma RS-485 linky RxD Enable TxD a b TxD Enable RxD Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

9 Sběrnice RS-485 Konfigurace RS-485 Přípustné konfigurace multi-drop možnost propojení až 32 uzlů (vysílačů a přijímačů) na jednom multi-dropu point-to-point propojení pouze dvou zařízení Rozdíl mezi zemí vysílače a zemí přijímače musí být 7V je-li větší vstupy přijímače se zahltí a dojde k přerušení komunikace Multidrop konfigurace RS-485 Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

10 Sběrnice CAN Sběrnice CAN (Controller Area Network) Základní informace původně vyvinut firmou Bosch pro nasazení v automobilech je definován normou ISO (popisuje fyzickou vrstvu protokolu a specifikaci CAN 2.0A) pozdější specifikace CAN 2.0B zavádí pojmy standardní a rozšířený formát zprávy lišící se v délce identifikátoru zprávy tyto specifikace definují pouze fyzickou a linkovou vrstvu protokolu aplikační vrstva protokolu CAN je definována několika vzájemně nekompatibilními standardy CAL (CAN Application Layer) CANopen DeviceNet Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

11 Sběrnice CAN Sběrnice CAN Charakteristika sběrnice umožňuje distribuované řízení systémů v reálném čase přenosová rychlost do 1Mbit/s (na vzdálenost 40m) protokol typu multi-master každý uzel může být master zjednodušeno řízení a zvyšuje spolehlivost příjem a vysílání zpráv s posouzením priorit zajišt uje centralizovaný příjem zpráv z více zdrojů a řešení časové synchronizace vysoký stupeň zabezpečení přenosu proti chybám možnost blokace částí sběrnicového systému způsobujících časté nebo trvalé chyby přenosu dat detekce a signalizace chyb přenosu, automatické opakování přenosů poškozených rámců Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

12 Sběrnice CAN Fyzické přenosové médium sběrnice CAN Požadavky na fyzické přenosové médium na sběrnici definovány dvě komplementární hodnoty bitů dominant recessive hodnoty bitů nejsou určeny a skutečná reprezentace záleží na konkrétní realizaci fyzické vrstvy na sběrnici je úroveň dominant vysílá-li alespoň jeden uzel dominant bit Realizace fyzického přenosového média pomocí diferenciální sběrnice (1/2) definováno normou ISO elektrické vlastnosti vysílacího budiče a přijímače principy časování synchronizace a kódování jednotlivých bitů hodnoty bitů dány rozdílem napětí na vodičích CAN_H a CAN_L připojení k vodičům sběrnice přes open-collector Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

13 Sběrnice CAN Fyzické přenosové médium sběrnice CAN Realizace fyzického přenosového média pomocí diferenciální sběrnice (2/2) sběrnice je oboustranně zakončena rezistory s odpory 120 na sběrnici se realizována operace wire and odpovídající hodnoty úrovní sběrnice dominant logická nula recessive logická jednička pro data používán kód NRZ Reprezentace úrovní na diferenciální sběrnici a připojení ke sběrnici Vcc 3.5V V CAN_H Tx (SW closed = dominant) 2.5V V diff =2.0V CAN_H 1.5V V CAN_L Recessive Dominant Recessive Rx (0 = domimant) CAN_L Gnd Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

14 Sběrnice CAN Základní typy zpráv Formát datové zprávy dle specifikace CAN 2.0A Bus Idle Arbitration Field Control Field Data Field CRC ACK Field S O F Identifier R T R R R 1 0 DLC 0 8 bytes Length [bits] CRC E A R C C K A C D End of Frame Interframe Space Název pole SOF (Start of Frame) Identifier RTR (Remote Request) R0 a R1 DLC Data Field CRC (Cyclic Redundancy Check) ERC ACK ACD End of Frame Interfame Space Význam pole začátek zprávy určuje prioritu a význam přenášené zprávy (celkem možné rozlišovat 2048 typů zpráv) slouží k rozlišení zprávy zda jde o datovou zprávu (dominant) nebo žádost o přístup ke sběrnici (recessive) rezervováno pro specifická použití délka datové zprávy datová oblast o maximální velikosti 8 bytů zabezpečovací kód oddělovač CRC informace (recessive) potvrzení přijet zprávy oddělovač potvrzení (recessive) konec zprávy (recessive) mezera mezi zprávami (recessive) Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

15 Sběrnice CAN Základní typy zpráv Formát datových zpráv dle specifikace CAN 2.0B Standard Frame IDE (Identifier Extended) místo R1 a má hodnotou dominant Extended Frame IDE nabývá hodnoty recessive recessive SRR (Substitute Remote Request) nahrazuje RTR Arbitration Field ID (11 bit), SRR, IDE, ID (18 bit), RTR Zbývající typy zpráv žádost o data (Remote Frame) podobný jako formát datové zprávy RTR bit nastaven do úrovně recessive a chybí datová oblast identifikátor zprávy shodný s požadovanými daty chybová zpráva (Error Frame) aktivní nebo pasivní příznak chyby zpráva o přetížení (Overload Frame) oddálení vyslání další zprávy Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

16 Sběrnice CAN Linková vrstva protokolu CAN Úkoly linkové vrstvy řízení přístupu k médiu a řešení kolizí zabezpečení přenášených dat signalizace chyb rozhodování, zda je sběrnice volná pro nový přenos dat či naopak jejich příjem časování Podvrstvy linkové vrstvy MAC (Medium Access Control) provádí kódování dat, vkládá doplňkové bity, řídí přístup uzlů k médiu (rozlišuje priority), detekuje chyby a stvrzuje správně přijaté zprávy LLC (Logical Link Contol) provádí filtrování přijatých zpráv (Acceptance Filtering) a hlášení o přetížení (Overload Notification). Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

17 Sběrnice CAN Řízení přístupu na CAN sběrnici Arbitráž je nedestruktivní bitová S O F Identifier R T R Control Field Byte Data Field Node 1 Node 2 Node Control Field Node 3 Data Field Node 3 Bus Level Arbitration Phase Control Field Node 3 Data Field Node 3 Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

18 Sběrnice CAN Zabezpečení přenášených dat Mechanismy zabezpečení dat monitoring vysílač porovnává vysílanou hodnotu bitu s úrovní na sběrnici; při rozdílu provede při řízení přístupu na sběrnici se odmlčí mimo arbitráž a potvrzování přijetí vygeneruje chybu bitu CRC kód 15ti bitový kontrolní součet tvoří poslední pole vysílané zprávy chybu CRC muže generoval libovolný uzel vkládání bitu po pěti po sobě jdoucích bitů jedné úrovně,je do zprávy vložen bit opačné úrovně slouží též k sesynchronizování přijímačů kontrola zprávy musí odpovídat specifikaci potvrzení přijaté zprávy vždy je nutné potvrdit zprávu; příjemce musí změnit ACK bit na hodnotu dominant Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

19 Sběrnice CAN Signalizace chyb na sběrnici CAN Uzly rozdělujeme z hlediska hlášení chyb do tří skupin Aktivní (Error Active) aktivně se podílejí na komunikaci; při detekci chyby v právě přenášené zprávě vysílají Active Error Flag (6 dominant) Pasivní (Error Passive) také komunikují, ale vysílají pouze Passive Error Flag (6 recessive, tj. nedojde k destrukci zprávy) Odpojené (Bus-off) tyto uzly nemají žádný vliv na sběrnici, jejich výstupní budiče jsou vypnuty. Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

20 Sběrnice USB (Universal serial bus) Sběrnice USB (Universal serial bus) Nové univerzální rozhraní pro připojování počítačových periférií a spotřební elektroniky, který je má nahradit základní sériové (RS-232C) a paralelní (Centronics/IEEE 1284) sběrnice Parametry USB možné připojení až 127 zařízení k jedné sběrnici () celková přenosová kapacita low-speed - 1.5Mb/s (USB 1.0) full-speed - 12Mb/s (USB 1.1) high-speed - 480Mb/s (USB 2.0) umožňuje napájet zařízení přímo z USB sběrnice (pouze pro zařízení s nízkým příkonem) umožňuje hot-swap zařízení připojeny bud přímo k USB sběrnici (host zařízení) nebo skrze rozbočovač (hub) ve stromové struktuře Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

21 Sběrnice USB (Universal serial bus) Sběrnice USB Propojení USB zařízení kabely mají 4 vodiče dva vodiče pro napájení (+5V a zem) kroucená dvoulinka používající diferenciální přenos maximální délka kabelů je 5 m kabely lze řetězit pomocí rozbočovačů - mezi počítačem (hostem) a koncovým zařízením nesmí být více jak 6 kabelových segmentů, tj. 30 metrů Data na sběrnici USB jsou přenášena kódem NRZI logická 0 kódována jako změna úrovně signálu logická 1 kódována jako zachování úrovně signálu DATA Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

22 Sběrnice USB (Universal serial bus) Komunikace na USB sběrnici Základní typy přenosů na USB sběrnici řídicí přenosy - pro řídicí a stavové operace přenosy v režimu přerušení zařízení musí vyčkat než bude dotázáno, než může nahlásit že potřebuje obsloužit zaručena doba zpoždění detekce chyb a možnost opakování v příštím cyklu izochronní přenosy určeno pro přenos časově citlivých dat (např. audio/video) pravidelný přenos dat (např. po 40ms) používá CRC, není garantován příjem a není možnost opakování dávkové přenosy přenos velkých bloků dat používá CRC a je zaručeno doručení poskytnuta momentálně zbývající kapacita sběrnice Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

23 Sběrnice USB (Universal serial bus) Komunikace na USB sběrnici Správa kapacity sběrnice Host při inicializaci určí přenosovou rychlost všech zařízení s isochronním režimem a režimem přerušení a alokuje pro ně 90% kapacity sběrnice.. Typy USB paketů Token IN - informuje USB zařízení, že host chce přečíst data OUT - informuje USB zařízení, že host chce data posílat SETUP - používá se pro řídící přenosy Data - dva (čtyři pro USB 2.0) typy paketů o velikosti až 1024 bytů Handshake ACK - potvrzení úspěšného přijetí paketu NACK - oznámení, že zařízení nemůže dočasně komunikovat STALL - zařízení ve stavu, kdy vyžaduje zásah od hostu Start of Frame - pravidelně vysílané 11 bitové číslo rámce Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

24 Sběrnice IEEE 1394 Sběrnice IEEE 1394 Velmi rychlá vnější sběrnice umožňující přenosové rychlosti do 400Mbps (1394a) a 800Mbps (1394b) původně vyvinutá firmou Apple pod označením FireWire, ale je možné se setkat s označením i.link a Lynx. Parametry IEEE 1394 k jednomu 1394 portu je možné připojit až 63 zařízení podporuje izochronní režim přenosu dat vhodné pro přenos velkého množství dat v reálném čase (např. video) přestože je mimořádně rychlé a flexibilní je drahé podporuje hot-plugging a napájení zařízení ze sběrnice (8 40V, max.1.5a) Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

25 Sběrnice IEEE 1394 Sběrnice IEEE 1394 Charakteristika sběrnice IEEE 1394 narozdíl od host-based USB sběrnice je 1394 peer-to-peer (zařízení možné propojit přímo bez nutnosti počítače) používá 64-bitovou adresaci 10-bitů pro ID sběrnice 6-bitové fyzické ID zařízení na sběrnici 48-bitů pro adresaci úložné oblasti, tj. je možné adresovat na každém nodu až 256 TB. ID sběrnice a fyzické ID udává ID nodu k jednomu systému je možné připojit 64,000 nodů zařízení jsou zřetězena; je možné přenášet data přes 16 hopů maximálně na 72 metrů 6 žilové kabely (2 napájení, 2 kroucená dvoulinka) nebo optická vlákna Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

26 Paralelní rozhranní IEEE 1284 Paralelní rozhraní Centronics Základní charakteristika používá se standardně pro komunikaci s tiskárnami používá úrovně TTL - úroveň 1: 2,5 5 V, úroveň 0: 0 0,5 V 3-4 rychlejší komunikace než RS-232 omezená vzdálenost (cca. 3.5m) Signály paralelního rozhraní Označení Název Směr Popis D0 D7 Data0 Data7 8 datových signálů Ack Acknowledge potvrzení převzetí dat tiskárnou Busy Busy indikuje zaneprázdněnost tiskárny PE Paper End indikuje, že tiskárně došel papír Select Select indikuje online stav tiskárny Err Error, Fault indikuje chybu tiskárny Strobe Strobe indikuje přítomnost dat na signálech D0-D7 AutoLF Auto-LineFeed určuje že se odřádkuje už po CR Init Initialize signál pro inicializaci tiskárny SelIn Select In GND Groung signálová zem Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

27 Paralelní rozhranní IEEE 1284 Paralelní rozhraní dle standardu IEEE 1284 Co přináší standard IEEE 1284 rozšíření rozhraní Centronics možnost obousměrné komunikace umožňuje připojení přenosných disků, páskových záložních jednotek, multifunkčních tiskáren a CD-ROMů rozšíření vzdálenosti až na cca m Základních módy činnosti sběrnice IEEE 1284 kompatibilní mód schodný s původní specifikací Centronicsu nibble mód umožňuje přenos dat zpět do počítače pomocí stavových linek (4bity 2 po sobě) byte mód přenáší 8 bitů najednou po datových vodičích do počítače (někdy označováno jako "bi-directional") ECP mode (Enhanced Capability Port mode) EPP mode (Enhanced Parallel Port mode) Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

28 Paralelní rozhranní IEEE 1284 Rozšířené módy specifikace IEEE 1284 EPP mode (Enhanced Parallel Port mode) přenosová rychlost 0.5 2MB/s (závislé na nejpomalejším zařízení) datové adresové cykly skutečné obousměrné rozhraní použití pro sít ové adaptéry, měřící karty, přenosné HDD,... ECP mode (Enhanced Capability Port mode) obousměrný mód umožňuje DMA přenos přenosová rychlost 2 4MB/s umožňuje adresaci (užitečné pro multifunkční zařízení umožňuje např. současný tisk a připojení přes modem) možnost komprese podporuje FIFO fronty Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

29 Sběrnice GPIB (IEEE488) Sběrnice GPIB (General Purpose Interface Bus) Základní charakteristika sběrnice GPIB délka sběrnice obvykle nepřevyšuje 20 m resp. 2 m pro spojení jediného přístroje s řídícím prostředkem paralelní asynchronní datový přenos maximální přenosová rychlost 1 MB/s, obvykle v mezích kB/s rychlost sběrnice určuje nejpomalejší zařízení sběrnici lze prodloužit zapojením opakovačů hvězdicové nebo standardní sběrnicové uspořádání linky možné připojení 15 přístrojů k jedné obousměrné sběrnici každému zařízení přiřazena jedinečná 5-bitová adresa koncové zařízení ve dvou stavech local ruční řízení z předního panelu remote vzdálené řízení přes sběrnici GPIB Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

30 Sběrnice GPIB (IEEE488) Struktura GPIB sběrnice Blokové schéma sběrnice GPIB Controller Talker Listener Control bus (5 bits) Handshake Lines (3 bits) Data bus (8bit) Základní typy zařízení controller vykonává požadavky na propojení talker a listener zařízení; obvykle jeden, při větším počtu je aktivní pouze jeden (ostatní mohou požádat o převzetí řízení) talker posílá data ostatním zařízením listener příjemce dat jejich počet limitován pouze max. počtem zařízení na sběrnici Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

31 Sběrnice GPIB (IEEE488) Řídicí část GPIB sběrnice Signály řídicí sběrnice ATN (Attention) - signál aktivního kontroleru vysílajícího příkazové a adresové byty všem zařízením na sběrnici IFC (Interface Clear) - signál systémového kontroléru k resetu sběrnice REN (Remote Enable) - signál systémového kontroléru ke vzdálenému ovládání přístrojů SRQ (Service Request) - hlášení zařízení na sběrnici přerušujícího činnost aktivního kontroléru, který podá dotaz na adresu a požadovanou službu koncového zařízení EOI (End Or Identify) - při negativním ATN označuje konec toku dat od vysílače, při pozitivním ATN je užito k dotazu aktivního kontroléru na adresu a požadovanou službu koncového zařízení Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni

32 Sběrnice GPIB (IEEE488) Řízení přenosu zpráv po GPIB sběrnici Časový diagram potvrzování zpráv při přenosu dat na sběrnici GPIB Data bus Tri State Data Data DAV Data Valid NRFD Not Ready For Data NDAC Not Data Accepted Devices Not Ready Devices Not Ready Data Valid Data Accepted Devices Not Ready Signály pro potvrzování přenosu zpráv DAV (Data Valid) - signál zdroje dat potvrzující jejich platnost pro převzetí NRFD (Not Ready For Data) - signál příjemce dat indikující nepřipravenost pro převzetí dat NDAC (Not Data Accepted) - signál příjemce dat o jejich neukončeném převzetí, aktivní úroveň je nízká Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /1- Západočeská univerzita v Plzni