Technische Informatik I (SS 2006) 1 Teil 6: Schnittstellen und Busse 6a: Einführung.

Technische Informatik I (SS 2006) 1

Teil 6: Schnittstellen und Busse

6a: Einführung


Bsp: Tastatur

Tastatur (MF-II) besitzt µ-Controller

Erzeugung von Scancodes(welche Taste wurdeangeschlagen ?)

1 code = mehr als ein Byte

Und: Empfang von Befehlen

dies ist einBussystem

Pinbelegung

Pin Nummer Beschreibung

1 CLK

2 Data

3 Reset (meist nicht belegt)

4 GND

5 + 5 Volt

Befehl

Beschreibung

EDh Ein- bzw. Ausschalten der LED´s einer MF-II Tastatur

EEh Rückgabe des Bytes EEh

F0h Identifikation des aktuellen Scancode-Satzes

F2h Tastatur wird identifiziert

F3h Einstellung für Wiederholung und Verzögerung der Tastatur

F4h Aktivierung der Tastatur

F5h Deaktivierung der Tastatur

F6h Aktivierung der Tastatur und Einstellung der Standartwerte

FEhNochmaliges Senden des letzten Zeichens an den Tastaturcontroller

FFh Tastatur-Reset


Definitionen von „Schnittstelle“

(siehe Duden) Vorrichtung zum Zweck des Informationsaustauschs

mit anderen Informationsverarbeitenden Systemen. Vereinbarungen, sogenannte Protokolle, über die Art und Weise,

wie Informationen ausgetauscht werden. Die Hardware-Schnittstelle wird beschrieben durch die Eigenschaft

der Übertragungsstrecke (Kabel, Stecker usw.) und durch die Art und Bedeutung der auf den Leitungen übertragenen Signale.

mechanische Eigenschaften: Steckerart, Steckerbelegung,Kabelart, max. Kabellänge

elektrische Eigenschaften: z.B. Signalpegel

funktionelle Eigenschaften: Protokoll


Definitionen

Bussystem: Mehrere Teilnehmer sind über eine Schnittstelle angeschlossen

Serieller BusoderParalleler Bus

Adressleitungen zum Adressieren des Teilnehmers (und ggfs. Unter-Adresse im Teilnehmer)

Schnittstelle

Bus

Netzwerke


Steckkarten

Als Backplane Keine aktiven Elemente Stromversorgung +

Terminierungen

Als Motherboard Bussystem

wird von hier kontrolliert Starke Integration


VME-Bus

Beispiel für einen PC mit VME-Bus


VME Bus

Ziel: Datenübertragung zwischen Karten (+ Prozessoren auf den Karten)

Bsp: Adressierung einesProzessors auf Einschub-Karte

„Bridge“-Chip, hier:SCV64 von Tundra


VME-Bus: Geschichte

VME = VERSAmodule Eurocard VERSAbus wurde 1979 von Motorola für 68000 entwickelt 1980 mit der robusten Europakarte verheiratet

(standardisierte Karten, Racks und Einschübe): MOStek, Phillips et al.

Orginalstandard mit 96-poligem DIN-Stecker, 3U Höhe und 16 Bit-Bus

Später: 6U mit 2 DIN-Steckern (J1 und J2) J1: 16 Daten-, 24 Adressbits

(wie 68000 Systembus) J2: weitere 16 Daten- und 8 Adressbits

(32/32Bit-Bus) Benutzerdefinierte Leitungen frei ! Erweiterungen: VME64, 64-bit


Master/Slave-Fähigkeiten

Master: Ist fähig, von sich aus Transfer zu initiieren. Bsp.: Prozessor

Slave: Muss warten, bis er von Master angesprochen wird. Bsp: EA-Geräte (mit Interrupt)

Adressleitungen müssen von Master getrieben werden können, bei Slave reicht Lesemöglichkeit.

System mit mehreren Mastern. Bsp: EA-Geräte sollen Master sein, um Daten ohne Prozessorzugriff zu transportieren (Netzwerk). DMA=Direct Memory Access

Wer darf Bus benutzen?


Arbitrierung

Bus

Gerät 1 Gerät 3Gerät 2

Arbiter

RE

Q1

AC

K1

RE

Q2

AC

K2

RE

Q3

AC

K3

Arbitrierung = Entscheidung, wer wird Master auf dem Bus ?

c:\j2sdk1.4.2_04\bin\java -classpath javafsm DE.uni_hamburg.informatik.tech.JavaFSM.JavaFSM


Arbitrierung #1: sternförmig

sternförmig 2 Möglichkeiten: Zentral: Ein Gerät ist Arbiter

Bsp: PCI

Dezentral: Alle Geräte sind gleichermassen Arbiter Teilnehmer wissen, wer Bus benutzt Funktionsbeispiel:

T2 hat Bus (REQ2=1). T1 will Bus (setzt REQ1=1). T1 darf erst senden,

wenn REQ2 von T2 =0 gesetzt wurde.


Arbitrierung #2: als Kette („Daisy Chain“)

REQ, BUSY sind Sammelleitungen (open collector) Teilnehmer ziehen REQ auf 0 bei Sendewunsch GRANT wird von T0 gesetzt Jeder Teilnehmer gibt GRANT weiter,

wenn kein Sendewunsch besteht Wenn Sendewunsch besteht,

wird GRANT geblockt, und BUSY gesetzt Vorteil: Beliebig erweiterbar Nachteil: Langsam,

und Steckplätze müssen alle belegt sein (oder aktive Stecker)


Bus-Treiber

Bus „treiben“ =Gate bzw. Transistormuß Bus mit Strom versorgen(~400uA)

Kurzschluß möglich ! Lösung #1:

Arbiter + Tristateausgang(LOW, HIGH, FLOAT)

Lösung #2:„Open Collector“ + Pull-Up-Widerstand

Busleitung nur=1, wenn alle Eingänge=0


Details VME-Bus

Slot 0 ist Arbiter Arbitrierung als Kette: Daisy-Chain Module haben Basisadressen (+Adressraum) Master legt Adressen (und Daten) an. Modul mit angesprochenen Adressraum

antwortet mit data transfer acknowledge (DTACK) oder Bus error (BERR)

„Adress modifier“ (AM0-5) Leitungen für diverse Protokolle (z.B. A24 oder A32)

„Data strobe“ (DS0-1) - Leitungen für Datenbreite Macht VME flexibel


(Chained-)Block-Transfer (CBLT)

VME-Bus Protokoll Master legt spezielle Adressleitung an. AM=0x0, A64 BLT-Transfer. Erstes Modul in einer Chain legt Daten auf allen 64 Bit an. Mit jedem DS kommt weiteres 64-Bit-Wort Master weiss nicht, wieviele Worte kommen. Wenn letztes Wort in Modul ausgelesen ist, gibt das Modul Token weiter Letztes Modul beendet Transfer mit BERR

Master

Karte 1

CBLT-Adr.

Daten

Token Karte 2Daten

Token

Schnelle Datenauslese aus

IO-Modulen



6b: Systembusse


Bussysteme im PC


Historie PC-Bussysteme

Bus Jahr Datenbreite Geschwindigkeit

Max. Datendurchsatz(theoretisch)

PC und XT 1980-82 8 bitsynchron mit CPU:

4.77 - 6 MHz4-6 MBps

ISA (AT)Einfacher Bus

1984 16 bit synchron8-10 MHz

8 MBps

MCA. Innovativer,intelligenter Bus von IBM

1987 32 bit asynchron10.33 MHz

40 MBps

EISA.Bus für Server

1988 32 bit synchronmax. 8 MHz

32 MBps

VL. Schneller Bus,in 486ern eingesetzt

1993 32 bit Synchron33-50 MHz

100-160MBps

PCI. Intelligenter,moderner schneller Bus

1993 32 bit Asynchron33 MHz

132 MBps


ISA-Bus

XT-Bus von IBM Verlängerung der Intel 8086-Anschlüsse 8 Daten- und 20 Adressleitungen; 4,77 MHz, 2 MByte/s Interrupt- und DMA-Kontroller (8 Interrupts, 4 DMA-Kanäle) 1984: Erweiterung auf 16 Daten- und 24 Adressbit des Intel 80286 zum

AT-Bus 1991 als ISA-Bus von IEEE genormt (IEEE P(reliminary)996) zusätzliche Interrupt- und DMA-Leitungen (jeweils zwei Kontroller) steckerkompatibel

zu XT-Bus (62+36 Pins) bis 80386 noch als Systembus,

heute als langsamer I/O-Bus 16 Bit Datenbus,

24 Bit Adressbus, 8 MHz


Bussysteme, mittlererweile nicht mehr benutzt Micro Channel Architecture (MCA)

1987 von IBM als ISA-Nachfolger für PS/2-Rechner entwickelt moderner 32-Bit-Bus; restriktive Lizenzpolitik 32 Daten- und 32 Adressleitungen nicht kompatibel mit ISA (keine ISA-Steckplätze)

EISA (Extended-ISA-Bus) 1989 als Antwort von 9 PC-Herstellern

(Intel, HP, u.a.; Vorsitz: Compac) auf die Lizenzpolitik für den IBM MCA 32-Bit-ISA-Erweiterung hoher Hardwareaufwand, teuer aber stecker-kompatibel mit ISA

VESA Local Bus zunächst verschiedene, inkompatible 16-Bit Local-Bus-Implementierungen

mit auf Motherboard integrierten Graphikkarten (später auch Steckkarten) Versuch der Normierung durch

VESA = Video Electronics Standard Association. Wunsch: schneller, billiger 32-Bit-Bus (Konkurrent zu EISA) keine Entkopplung von CPU und VL-Bus, um Kosten zu sparen max. 3 Geräte am Bus 116-poliger Stecker, identisch zu MCA


PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect)

Intel-Konkurrent zu VESA Local-Bus

streng entkoppelt vom CPU-Systembus

auch in anderen Systemenz.B. Mac/PowerPC

Version 1.0: 32-Bit Version 2.0: 64-Bit

32/64 Daten- und Adressleitungen

wenige Signale (48-Pin-/94-Pin-Stecker)

max. 10 Geräte (incl. CPU-Bridge) mit je max. 10 pF/Leitung

max. 3 Steckplätze Bus-Hierarchie:

z.B. PCI SCSI


„Plug+Play“

Konfiguration und Speicherbereich einer Karte wird während des Boot-Vorgangs ausgelesen

Speicherbereiche werden der Karte mitgeteilt Zudem: Product+Vendor-ID

ISA

PCI

AGP


PCI-Bus: Interrupts

4 Interrupts Leitungen A-D möglich Von einfachen Karten

nur A verwendet


AGP (Accelerated Graphics Port)

1997 vorgestellt „Spezieller“ PCI-Slot (PCI 2.1 mit 66MHz) DIME=„Direct Memory Execution“


PCI-Express

u.a. für Graphikkarten auch 3GIO genannt kein BUS,

sondern Punkt-zu-Punkt-Netzwerk Kommunikation durch

bidirektionale "Lanes" 1,2,4,8,16 Lanes,

meist 20 pro Mainboard (außer Server)meist 1x16 (AGP-Ersatz) und 4x1


Zusammenfassung

Systembusse am Anfang Weiterführung der Prozessorleitungen (Daten, Adressen, Steuerleitungen) siehe Von-Neumann oder Harvard-Architektur

Beispiele: ISA, PCI, heute Bushierarchie PCI: Selbstkonfigurierender Bus,

32/64 Bit, Daten und Adressen gemultiplext Weniger Leitungen, billigere Karten

Nachfolger: PCI-Express, serieller Bus (benötigt Switch), eher "Netzwerk" als Prozessorbus



6c: Serielle Busse


Serielle Busse: Begriffe (1)

Serielle Übertragung: nur eine Datenleitung,

d.h. Bits werden hintereinander geschickt Umwandlung bits byte

durch z.B. Schieberegister

Simplex-Modus: nur eine Richtung Duplex-Modus: 2 getrennte Kanäle Half-Duplex-Modus:

Ein Kanal zum Senden/Empfangen, abwechsend Braucht weitere Steuersignale, bzw. -zeichen

(z.B. Token)


Serielle Busse: Begriffe (2)

Handshake Empfänger kann Senden anhalten Hardware-Handshake durch weitere Leitungen

(Bsp.: V.24, DSP-Linkports) Software-Handshake durch spezielle Zeichen

(Bsp.: XOFF/XON)

„Single-Ended“ Übertragung: Nur Spannungspegel auf einer Leitung

„Differentielle“ Übertragung: 2 Leitungen pro Signal


Differentielle Übertragung

nutzt 2 Leitungen für 1 Signal reduziert Störanfälligkeit


I²C-Bus

Inter-IC or I2C-bus Entwickelt in den 80ern von Philips

Um Bausteine in einem Fernseher zu verbinden

Wird mittlerweile von >50 Herstellern in >1000 Applikationen genutzt(z.B. Auslese von Temperatursensoren)

Quasi-Standard im Bereich "embedded Systems" Einfacher serieller Bus

mit nur 2 bidirektionalen Leitungen SDA: Serial DAta SCL: Serial CLock


I²C-Bus Temperatursensor


I²C-Bus

7 Geräte adressierbar Master startet mit START-Bedingung

StartStart Bedingung: Master Chip setzt zuerst die SDA (data) line low, and dann the SCL (clock) line low.

StopSTOP Bedingung: Master Chip setzt zuerst SCL und dann SDA line high.


I²C-Bus

Schreiben: Master legt Adresse an setzt Richtungsbit

(masterslave oder slavemaster) Gerät antwortet mit ACK-Signal (nach jedem Byte)

AdresseGeräte-

Sub-Adresse

R/W

Daten

Start

0 1 0 0 x x x 0ACK

x x x x x x x xStop


I²C-Bus Features

Multi-Master Kollisionserkennung Open Collector 100 kBit/s (normal) 400 kBit/s (fast) 10-Bit-Adressen


Genormte serielle Schnittstellen

Seriell: V.24/V.28 - RS 232C Ursprünglich:

für Modem-Übertragung Heute: Kopplung von

Mikrocomputern untereinander V.24 normiert

Definition der Leitungen V.24 normiert die elektrischen Eigenschaften

RS-232 beschreibt funktionelle und elektrische Eigenschaften

9-poliger oder 25-poliger Stecker 3 Leitungen würden ausreichen –

Rest für Komfort und Betriebssicherheit


RS-232

Punkt-zu-Punkt-Verbindung (auch V.24) Mindestleitungen:

TXD für Transmit RXD für Receive Ground (Masse) als Bezugspunkt

0/1 ist +/-12 V

25 polig Sub-D

9 polig Sub-D

Bezeichnung Signalbeschreibung

1 - Shield Schirmleitung vom Kabel

2 3 Transmit (TxD) Sende-Daten vom PC zu Modem

3 2 Receive (RxD) Empfangs-Daten von Modem zu PC

4 7 Request To Send (RTS) PC zeigt an, daß er senden möchte

5 8 Clear To Send (CTS) Modem zeigt an, daß PC senden darf

6 6 Data Set Ready (DSR) Modem signalisiert, daß es bereit ist

7 5 Signal Ground GND Null-Bezugspunkt

8 1 Data Carrier Detect (DCD) Daten können empfangen werden

20 4 Data Terminal Ready (DTR) PC ist betriebsbereit

22 9 Ring Indicator (RI) Klingelzeichen


RS-232 in der Praxis

Software-Handshake

XON/XOFF-Protokoll Datenanforderung

der Empfangsstation durch XON-Code (ASCII 17): Empfangsbereitschaft

Datenübertragung wird gestoppt durch XOFF-Code (ASCII 19)

Unterbrechung bis zum nächsten XON-Zeichen

3 Leitungen notwendig (TxD, RxD, SG)

Nullmodem-Kabel(Tx und Rx sind gekreuzt)


UART

Baustein: UART: Universal Asynchronous

Receiver-Transmitter keine Clock gesendet

(Rx und Tx haben eigene Clock) benötigt Start und Stop-Bits

USART: Universal Synchronous and Asynchronous Receiver-Transmitter benötigt Clock Leitung


Modem

MOdulator-DEModulator Modulieren eines

Trägersignals (z.B. Telefonleitung), um digitale Daten (z.B. eines UARTs) zu enkodieren

mit Protokoll-Definitionz.B. AT-Kommandos („Attention“)

Einfacher Zugriff über TTY (Terminal TeleType)

Motorola Modem28.8kbit/s


TTY-Schnittstelle

Auf seriellen Schnittstellenkarten findet man häufig vier zusätzliche Leitungen

+20 mA out, -20 mA out, +20 mA in, -20 mA in, die als TTY- bzw. 20mA-Stromschleifenschnittstelle

bezeichnet werden. ursprünglich zur Ansteuerung mechanischer Fernschreiber

(TeleTYpe). max. 4800 bits/s


RS-422 & RS-485

Differentielle Übertragungssignale Zuordnung Differenzspannung zu logischem Zustand ist wie folgt

definiert: A - B < -0,3V = MARK = OFF = Logisch 1 A - B > +0,3V = SPACE = ON = Logisch 0

RS-422: Unidirektional mit bis 10 Empfängern Übertragungs-Geschwindigkeit >200kBit/s

bzw. Signallaufzeit >halbe Bitzeit Terminierung in der Größenordnung der Kabelimpedanz

(Twisted Pair 100-200).

RS-485: Bidirektionaler Bus mit bis 32 Teilnehmern PullUp/Down-Widerstände zwingend,

um Pegel für nicht-Sendezeit zu halten Terminierung am Bus-Ende


RS-422 vs. RS-485

Unidirektional, ein Empfänger

Bidirektional, mehrere Empfänger

Achtung bei langen Kabeln: PotentialdifferenzSender-Empfänger


Parallel: Centronics

Druckerschnittstelle der Druckerfirma Centronics

Quasistandard (d.h. keine IEEE Norm!)

36-poliger AMP-Stecker der Firma Amphenol

alle Signale sind TTL-kompatibel (max. Leitungslänge: 2 ... 5 m)

IBM-PC verwendet aber 25-poligen Cannon-Stecker wie bei RS-232

1994 Drucker-Parallelschnittstelle IEEE 1284-Normbis zu 2 MByte/s halbduplex in beide RichtungenCentronics-Leitungen mit geänderten Bezeichnungen und Funktionen


USB (Universal Serial Bus)

1995 Ansatz: eine neue Schnittstelle soll alle anderen Schnittstellen/IO-Bussysteme ersetzen

SternförmigerAufbau mitmehreren Ebenen max. 7 Ebenen

(d.h. max. 7 Hubs) und 127 Funktionen

Differentielles Kabel 0.0-0.3 V = LOW

2.8-3.6 V = HIGH


USB Stecker eindeutig

für Up/Down-Seite(damit nicht aus Versehen +5V an GND verbunden)

Stifte für Stromversorgung länger (wichtig für „Hot Plug“)

Stromversorgung bis 500mA Übertragungmodus:

zumeist isochrondefinierte Datenrate(d.h. Übertragungsdauer vorhersagbar)

aber kein Handshake(d.h. einfaches Übertragungsprotokoll, aber Datenverlust ist möglich, Parity Check notwendig)

andere Übertragungsmodi:control (für Status-Meldungen),bulk (für hohe Datenmengen), interrupt (für feste Latenz)

Power pairPower pair

Differential Signal pairDifferential Signal pair


USB-Protokoll

Host (= Master) leitet alle Transaktionen ein durch Generierung eines Tokens

1. Adresstoken mit gewähltem Endgerät und Richtung

2. Datenpaket


USB-Bandbreite / Plug & Play

USB 1.0 / 1.1 12 Mb/s Full Speed (FS) Bitrate 1.5 Mb/s Low Speed (LS) Bitrate

z. B. für Tastatur, Maus

USB 2.0 (Mai 2000) Zusätzlich: 480 Mb/s High Speed (HS) für USB-Festplatten, Brenner, Video

“Enumeration” nach Einstecken wird Geräteadresse ermittelt Autokonfiguration (Plug & Play)


Zusammenfassung

Serielle Busse: hauptsächlich für Peripheriegeräte verwendet

„Alte“ serielle Schnittstelle (COM-Port): für Modem entwickelt (V.24-Norm), RS-232 für elektrische Eigenschaften

Weitere Industrienorm (für Embedded Systems) I²C

Neue Entwicklung: USB Hot-Plug Steuerung mit Token


Zusammenfasung: Bus-Systeme in einem PC

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