itmo500

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

1.2ОРГАНИЗАЦИЯ 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 ИНТЕРФЕЙСAMBA.....................................................................		113
	3.6.1	Внутрисистемный интерфейсAMBA AHB ..................................................	117
	3.6.2	Системный интерфейсAMBA ASB................................................................	124
	3.6.3	Периферийный интерфейсAMBA 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. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ
	СЕТИ ..............................................................................................................................		198
	3.11.1 Сети передачи данных.....................................................................................		198
	3.11.2 Беспроводные сенсорные сети.......................................................................		198

4

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА УЧЕБНОГО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
		SDK-1.1..................................................................................................................	203
А.1	НАЗНАЧЕНИЕ СТЕНДА....................................................................................................		203
А.2	СОСТАВ СТЕНДА............................................................................................................		203
А.3	ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ ЯДРО И СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА .................................................		204
	А.3.1	МикроконтроллерADuC812 ...........................................................................	205
	А.3.2	Внешняя память программ и данных.............................................................	206
	А.3.3	Порты ввода-вывода........................................................................................	207
	А.3.4	Расширитель портов ввода-вывода................................................................	209
	А.3.5	Периферийные устройства, подключенные к расширителю портов ввода-
		вывода...............................................................................................................	209
	А.3.6	Аналоговый ввод-вывод..................................................................................	212
	А.3.7	I2C-устройства..................................................................................................	213
	А.3.8	Последовательные и параллельные интерфейсы..........................................	214
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. КОМПЛЕКС ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ДЛЯ УЧЕБНОГО
		ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА SDK-1.1 ...........................................................	216
Б.1	ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ДИСКРЕТНЫЕ ПОРТЫ ВВОДА-ВЫВОДА» ........................		216
	Б.1.1	Задание..............................................................................................................	216
	Б.1.2	Порты ввода-вывода........................................................................................	216
	Б.1.3	Описание работы .............................................................................................	217
	Б.1.4	Требования к выполнению работы.................................................................	218
	Б.1.5	Содержание отчета ..........................................................................................	219
	Б.1.6	Литература........................................................................................................	219
	Б.1.7	Варианты заданий............................................................................................	219
Б.2	ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 «ТАЙМЕРЫ. СИСТЕМА ПРЕРЫВАНИЙ» ............................		223
	Б.2.1	Задание..............................................................................................................	223
	Б.2.2	Таймеры-счетчики...........................................................................................	223
	Б.2.3	Описание работы .............................................................................................	224
	Б.2.4	Особенности обработки прерываний в стенде SDK-1.1 ..............................	226
	Б.2.5	Требования к выполнению работы.................................................................	230
	Б.2.6	Содержание отчета ..........................................................................................	230
	Б.2.7	Литература........................................................................................................	230
	Б.2.8	Варианты заданий............................................................................................	230
Б.3	ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС RS-232. UART» ....		233
	Б.3.1	Задание..............................................................................................................	233
	Б.3.2	Особенности последовательного интерфейса в микроконтроллере с ядром
		MCS-51..............................................................................................................	233

5

	Б.3.3	Организация буферизированного последовательного ввода-вывода в стенде
		SDK-1.1 .............................................................................................................	234
	Б.3.4	Организация программы.................................................................................	235
	Б.3.5	Организация обработчика прерывания UART ..............................................	236
	Б.3.6	Описание работы .............................................................................................	237
	Б.3.7	Требования к выполнению работы.................................................................	238
	Б.3.8	Содержание отчета ..........................................................................................	238
	Б.3.9	Литература........................................................................................................	239
	Б.3.10 Варианты заданий............................................................................................		239
Б.4	ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «КЛАВИАТУРА»................................................................		243
	Б.4.1	Задание..............................................................................................................	243
	Б.4.2	Матричная клавиатура.....................................................................................	243
	Б.4.3	Описание работы .............................................................................................	248
	Б.4.4	Требования к выполнению работы.................................................................	251
	Б.4.5	Содержание отчета ..........................................................................................	251
	Б.4.6	Литература........................................................................................................	252
	Б.4.7	Варианты заданий............................................................................................	252
Б.5	ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 «ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИНДИКАТОР».....................		254
	Б.5.1	Задание..............................................................................................................	254
	Б.5.2	Описание работы .............................................................................................	254
	Б.5.3	Требования к выполнению работы.................................................................	258
	Б.5.4	Содержание отчета ..........................................................................................	258
	Б.5.5	Литература........................................................................................................	258
	Б.5.6	Варианты заданий............................................................................................	258
Б.6	ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС I2C»........................		262
	Б.6.1	Задание..............................................................................................................	262
	Б.6.2	Описание работы .............................................................................................	262
	Б.6.3	Требования к выполнению работы.................................................................	267
	Б.6.4	Содержание отчета ..........................................................................................	267
	Б.6.5	Литература........................................................................................................	268
	Б.6.6	Варианты заданий............................................................................................	268
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ..............................			275
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ПРОГРАММ НА ЯЗЫКЕ СИ..........			278
Г.1	СОГЛАШЕНИЯ ПО ИДЕНТИФИКАТОРАМ .........................................................................		278
	Г.1.1	Подбор идентификаторов................................................................................	278
	Г.1.2	Написание идентификаторов..........................................................................	278
Г.2	СОГЛАШЕНИЯ ПО САМОДОКУМЕНТИРУЕМОСТИ ПРОГРАММ.........................................		279

6

Г.2.1	Комментарии....................................................................................................	279
Г.2.2	Спецификация функций..................................................................................	279
Г.2.3 Спецификация программного файла или модуля.........................................		280
Г.3 СОГЛАШЕНИЯ ПО ЧИТАЕМОСТИ ПРОГРАММ..................................................................		281
Г.3.1	Лесенка .............................................................................................................	281
Г.3.2 Длина строк программного текста.................................................................		282
Г.3.3	Прочие рекомендации......................................................................................	282
ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................................................		284
КАФЕДРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ....................................................................................		290

7

Введение

При изучении систем ввода-вывода и интерфейсов периферийных устройств необходимо представлять основные принципы построения средств вычислительной техники, которые во многом определяются той элементной базой, на которой строятся вычислительные системы общего и специализированного назначения. С этой точки зрения весь период развития вычислительной техники от первого компьютера до современных вычислительных машин можно разбить на два этапа. Первый – это этап до появления современных интегральных схем и микропроцессоров. Второй – после их появления и начала выпуска персональных компьютеров (ПК).

На первом этапе компьютеры разрабатывались и изготавливались на своей собственной элементной базе, их устройства (процессор, ОЗУ, устройства управления и т.п.) имели архитектуру и структуру, присущую только данному компьютеру или одному семейству, связь между устройствами и узлами осуществлялась с помощью интерфейсов, используемых только этим типом вычислительной машины. Стандарты применялись, но в основном касались ПУ, а не внутренних устройств. Поэтому машины разных фирм были не совместимы по элементной базе, устройствам и конструктивам. Это относилось как к большим, так и к малым вычислительным машинам. Это машины типа БЭСМ-1 (2,6), «Урал», «Наири», IBM 360 (370) , ЕС ЭВМ-1033 (1040, 1060), DEC PDP-11, СМ-1 (2,3,4) и т.д. Каждый тип компьютера был в определенной степени уникален.

На втором этапе изменился принцип построения вычислительной техники. Она стала основываться на правиле трех «М»: модульность, микропрограммируемость и магистральность. Модуль представляет собой функционально полное и конструктивно законченное устройство, серийно выпускаемое и программно (микропрограммно) управляемое (настраиваемое). Вычислительные системы собираются на основе этих модулей с помощью каналов связи – универсальных или специализированных интерфейсов.

На втором этапе существенно возросла роль стандартизации, без которой разработка и выпуск вычислительных систем общего назначения стал просто невозможен, а специализированного назначения – практически невозможен.

В последнее время существенно возросли роль и значение систем вводавывода и интерфейсов вследствие усиления значимости коммуникационной составляющей по сравнению с вычислительной составляющей в информационно-управляющих системах.

Учебное пособие посвящено рассмотрению роли и места систем вводавывода и интерфейсов в вычислительных системах, изложению принципов их построения и функционирования. Оно содержит материалы о современных стандартных внутрисистемных, системных, периферийных интерфейсах, а также лабораторные работы, способствующие изучению этих материалов, приобретению студентами навыков проектирования и низкоуровневого

8

программирования подсистем ввода-вывода микропроцессорных систем различного назначения на примере программирования учебного лабораторного стенда SDK-1.1.

Учебное пособие предназначено для студентов, специализирующихся в области вычислительной техники и программирования. Знание интерфейсов позволит разработчику аппаратуры более грамотно подойти к выбору варианта, соответствующего поставленной задаче. Знания материалов этого пособия необходимы системным интеграторам. Без этих знаний они не смогут подобрать требуемый набор устройств и оптимально объединить их в систему. Сведения учебного пособия помогут системным программистам разрабатывать собственные драйверы периферийных устройств или адаптировать чужие разработки.

9