Читать онлайн «Интерфейсы периферийных устройств: Учебное пособие»
Автор Е. В. Петрова
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
А. О. Ключев, Д. Р. Ковязина,
Е. В. Петров, А. Е. Платунов
ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2010
Ключев А. О. , Ковязина Д. Р. , Петров Е. В. , Платунов А. Е. Интерфейсы
периферийных устройств. – СПб. : СПбГУ ИТМО, 2010. – 290 с. Учебное пособие посвящено вопросам организации интерфейсов
периферийных устройств. В пособии рассматриваются: организация системы
ввода-вывода, способы обмена информацией между устройствами
вычислительной системы, аппаратные интерфейсы вычислительных систем. В
приложениях к учебному пособию помещены справочные данные и задания к
выполнению лабораторных работ с использованием учебного лабораторного
стенда SDK-1. 1. Для подготовки бакалавров и магистров по направлению 23. 01. 00
«Информатика и вычислительная техника»; по программам подготовки
магистров 23. 01. 00. 33 «Проектирование встроенных вычислительных систем» и
23. 01. 00. 34 «Системотехника интегральных вычислителей. Системы на
кристалле». Рекомендовано к печати ученым советом факультета КТиУ, протокол №15
от 16. 11. 2010 г. В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в
результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым
присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена
Программа развития государственного образовательного учреждения высшего
профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики» на 2009–2018
годы. ©Санкт-Петербургский государственный университет
информационных технологий, механики и оптики, 2010
© А. О. Ключев,
Д. Р. Ковязина,
Е. В. Петров,
А. Е. Платунов, 2010. Оглавление
ВВЕДЕНИЕ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 8
1 ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ... ... 10
1. 1 ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ... ... ... ... ... ... ... . 10
1. 1. 1 Принципы Фон-Неймановской архитектуры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 11
1. 1. 2 Достоинства и недостатки Принстонской архитектуры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 12
1. 1. 3 Достоинства и недостатки Гарвардской архитектуры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 13
1. 2 ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ. ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЯДРА И
СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 15
1. 2. 1 Процессор и память ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 16
1. 2. 2 Контроллер ввода-вывода ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
1. 2. 3 Процессор ввода-вывода ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 20
1. 2. 4 Интерфейс и протокол ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21
1. 2. 5 Порт ввода-вывода... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23
1. 3 ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 28
1. 3. 1 Организация СВВ универсальных ЭВМ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29
1. 3. 2 Организация СВВ управляющих ЭВМ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30
2 СПОСОБЫ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ МЕЖДУ УСТРОЙСТВАМИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 50
2. 1 СИНХРОННЫЙ ОБМЕН ДАННЫМИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 50
2. 2 АСИНХРОННЫЙ ОБМЕН ДАННЫМИ С ПРОГРАММНОЙ ПРОВЕРКОЙ ГОТОВНОСТИ ... ... ... ... 51
2. 3 АСИНХРОННЫЙ ОБМЕН ДАННЫМИ С АППАРАТНОЙ ПРОВЕРКОЙ ГОТОВНОСТИ ... ... ... ... ... 53
2. 3. 1 Система прерываний ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 53
2. 3. 2 Классификация прерываний ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 54
2. 3. 3 Функции системы прерываний и их реализация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 56
2. 3. 4 Аппаратный полинг ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 59
2. 3. 5 Характеристики систем прерываний ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 60
2. 3. 6 Контроллер прерываний 8259A... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 61
2. 4 ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА В РЕЖИМЕ ПРЯМОГО ДОСТУПА ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 62
2. 4. 1 Общие принципы организации ПДП ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 63
2. 4. 2 DMA-контроллеры персонального компьютера ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 65
3 АППАРАТНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 68
3. 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 68
3. 2 ФУНКЦИИ АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 74
3. 3 КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 78
3. 4 ПОНЯТИЕ ИНТЕРФЕЙСНЫХ СИСТЕМ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 80
3. 5 РЕАЛИЗАЦИЯ АППАРАТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ: ПРОБЛЕМЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ... ... 80
3
3. 5. 1 Электромагнитные помехи ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 80
3. 5. 2 Характеристики линии связи ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 82
3. 5. 3 Виды линий связи ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 85
3. 5. 4 Сбалансированная схема... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 86
3. 5. 5 Симметричная и несимметричная схема передачи сигналов... ... ... ... ... ... ... ... 88
3. 5. 6 Виды кодирования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 92
3. 5. 7 Приемопередатчик последовательного интерфейса... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 97
3. 5. 8 Особенности параллельных интерфейсов... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 101
3. 5. 9 Мультиплексирование, конвейеризация, блочная передача ... ... ... ... ... ... ... ... 102
3. 5. 10 Устройства гальванической изоляции в аппаратных интерфейсах... ... ... ... . 103
3. 5. 11 Горячее подключение и автоконфигурирование... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 111
3. 6 ВНУТРИСИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС AMBA... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 113
3. 6. 1 Внутрисистемный интерфейс AMBA AHB ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 117
3. 6. 2 Системный интерфейс AMBA ASB... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 124
3. 6. 3 Периферийный интерфейс AMBA APB... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 127
3. 7 СИСТЕМНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 131
3. 7. 1 Интерфейс PCI ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 131
3. 7. 2 Интерфейс PCI Express... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 142
3. 8 СТАНДАРТНЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 144
3. 8. 1 Интерфейс SCSI ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 144
3. 8. 2 Интерфейс SAS ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 148
3. 8. 3 Сравнение SAS и параллельного SCSI ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 149
3. 8. 4 Сравнение SAS и SATA... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 149
3. 9 МАЛЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 150
3. 9. 1 Интерфейс RS-232 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 150
3. 9. 2 Интерфейс SPI... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 161
3. 9. 3 Интерфейс Centronics ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 167
3. 9. 4 Интерфейс SATA... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 172
3. 10 КОНТРОЛЛЕРНЫЕ СЕТИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 175
3. 10. 1 Интерфейс RS-485 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 175
3. 10. 2 Интерфейс 1-Wire ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 180
3. 10. 3 Интерфейс I2C ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 182
3. 10. 4 Интерфейс USB... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 194
3. 11 СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ.
