Teil 6: Schnittstellen und Busse 6a: Einführung Technische Informatik I (SS 2006) 1
Reset (meist nicht belegt) Bsp: Tastatur Pinbelegung Pin Nummer Beschreibung 1 CLK 2 Data 3 Reset (meist nicht belegt) 4 GND 5 + 5 Volt Tastatur (MF-II) besitzt µ-Controller Erzeugung von Scancodes (welche Taste wurde angeschlagen ?) 1 code = mehr als ein Byte Und: Empfang von Befehlen dies ist ein Bussystem 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 FEh Nochmaliges Senden des letzten Zeichens an den Tastaturcontroller FFh Tastatur-Reset Technische Informatik I (SS 2006) 2
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 Technische Informatik I (SS 2006) 3
Definitionen Bussystem: Mehrere Teilnehmer sind über eine Schnittstelle angeschlossen Serieller Bus oder Paralleler Bus Adressleitungen zum Adressieren des Teilnehmers (und ggfs. Unter-Adresse im Teilnehmer) Schnittstelle Bus Netzwerke Technische Informatik I (SS 2006) 4
Steckkarten Als Backplane Als Motherboard Keine aktiven Elemente Stromversorgung + Terminierungen Als Motherboard Bussystem wird von hier kontrolliert Starke Integration Technische Informatik I (SS 2006) 5
Beispiel für einen PC mit VME-Bus Technische Informatik I (SS 2006) 6
VME Bus Ziel: Datenübertragung zwischen Karten (+ Prozessoren auf den Karten) Bsp: Adressierung eines Prozessors auf Einschub-Karte „Bridge“-Chip, hier: SCV64 von Tundra Technische Informatik I (SS 2006) 7
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 Technische Informatik I (SS 2006) 8
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? Technische Informatik I (SS 2006) 9
Arbiter Arbitrierung Bus Gerät 1 Gerät 3 Gerät 2 Arbitrierung = Entscheidung, wer wird Master auf dem Bus ? Bus Gerät 1 Gerät 3 Gerät 2 Arbiter REQ1 ACK1 REQ2 ACK2 REQ3 ACK3 Technische Informatik I (SS 2006) 10
Arbitrierung #1: 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. Technische Informatik I (SS 2006) 11
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) Technische Informatik I (SS 2006) 12
Bus-Treiber Bus „treiben“ = Gate bzw. Transistor muß 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 Technische Informatik I (SS 2006) 13
Arbitrierung als Kette: Daisy-Chain 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 Technische Informatik I (SS 2006) 14
(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 Schnelle Datenauslese aus IO-Modulen Master Karte 1 Karte 2 CBLT-Adr. Token Token Daten Daten Technische Informatik I (SS 2006) 15
Teil 6: Schnittstellen und Busse 6b: Systembusse Technische Informatik I (SS 2006) 16
Bussysteme im PC Technische Informatik I (SS 2006) 17
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Historie PC-Bussysteme Jahr Datenbreite Geschwindigkeit Max. Datendurchsatz (theoretisch) PC und XT 1980-82 8 bit synchron mit CPU: 4.77 - 6 MHz 4-6 MBps ISA (AT) Einfacher Bus 1984 16 bit synchron 8-10 MHz 8 MBps MCA. Innovativer, intelligenter Bus von IBM 1987 32 bit asynchron 10.33 MHz 40 MBps EISA. Bus für Server 1988 max. 8 MHz 32 MBps VL. Schneller Bus, in 486ern eingesetzt 1993 Synchron 33-50 MHz 100-160 MBps PCI. Intelligenter, moderner schneller Bus Asynchron 33 MHz 132 MBps Technische Informatik I (SS 2006) 22
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 Technische Informatik I (SS 2006) 23
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 Technische Informatik I (SS 2006) 24
PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect) Intel-Konkurrent zu VESA Local-Bus streng entkoppelt vom CPU-Systembus auch in anderen Systemen z.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 Technische Informatik I (SS 2006) 25
„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 Technische Informatik I (SS 2006) 26
Von einfachen Karten nur A verwendet PCI-Bus: Interrupts 4 Interrupts Leitungen A-D möglich Von einfachen Karten nur A verwendet Technische Informatik I (SS 2006) 27
AGP (Accelerated Graphics Port) 1997 vorgestellt „Spezieller“ PCI-Slot (PCI 2.1 mit 66MHz) DIME=„Direct Memory Execution“ Technische Informatik I (SS 2006) 28
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 Technische Informatik I (SS 2006) 29
Beispiele: ISA, PCI, heute Bushierarchie 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 Technische Informatik I (SS 2006) 30
Teil 6: Schnittstellen und Busse 6c: Serielle Busse Technische Informatik I (SS 2006) 31
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) Technische Informatik I (SS 2006) 32
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 Technische Informatik I (SS 2006) 33
Differentielle Übertragung nutzt 2 Leitungen für 1 Signal reduziert Störanfälligkeit Technische Informatik I (SS 2006) 34
Entwickelt in den 80ern von Philips 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 Technische Informatik I (SS 2006) 35
I²C-Bus Temperatursensor Technische Informatik I (SS 2006) 36
Master startet mit START-Bedingung I²C-Bus 7 Geräte adressierbar Master startet mit START-Bedingung Start Start Bedingung: Master Chip setzt zuerst die SDA (data) line low, and dann the SCL (clock) line low. Stop STOP Bedingung: Master Chip setzt zuerst SCL und dann SDA line high. Technische Informatik I (SS 2006) 37
I²C-Bus Schreiben: Master legt Adresse an setzt Richtungsbit (masterslave oder slavemaster) Gerät antwortet mit ACK-Signal (nach jedem Byte) Adresse Geräte-Sub-Adresse R/W Daten Start 1 x ACK Stop Technische Informatik I (SS 2006) 38
I²C-Bus Features Multi-Master Kollisionserkennung Open Collector 100 kBit/s (normal) 400 kBit/s (fast) 10-Bit-Adressen Technische Informatik I (SS 2006) 39
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 Technische Informatik I (SS 2006) 40
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 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 Data Set Ready (DSR) Modem signalisiert, daß es bereit ist Signal Ground GND Null-Bezugspunkt Data Carrier Detect (DCD) Daten können empfangen werden 20 Data Terminal Ready (DTR) PC ist betriebsbereit 22 9 Ring Indicator (RI) Klingelzeichen Technische Informatik I (SS 2006) 41
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) Technische Informatik I (SS 2006) 42
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 Technische Informatik I (SS 2006) 43
Modem MOdulator-DEModulator Modulieren eines Trägersignals (z.B. Telefonleitung), um digitale Daten (z.B. eines UARTs) zu enkodieren mit Protokoll-Definition z.B. AT-Kommandos („Attention“) Einfacher Zugriff über TTY (Terminal TeleType) Motorola Modem 28.8kbit/s Technische Informatik I (SS 2006) 44
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 Technische Informatik I (SS 2006) 45
Differentielle Übertragungssignale 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 100-200W). RS-485: Bidirektionaler Bus mit bis 32 Teilnehmern PullUp/Down-Widerstände zwingend, um Pegel für nicht-Sendezeit zu halten Terminierung am Bus-Ende Technische Informatik I (SS 2006) 46
RS-422 vs. RS-485 Unidirektional, ein Empfänger Bidirektional, mehrere Empfänger Achtung bei langen Kabeln: Potentialdifferenz Sender-Empfänger Technische Informatik I (SS 2006) 47
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-Norm bis zu 2 MByte/s halbduplex in beide Richtungen Centronics-Leitungen mit geänderten Bezeichnungen und Funktionen Technische Informatik I (SS 2006) 48
USB (Universal Serial Bus) 1995 Ansatz: eine neue Schnittstelle soll alle anderen Schnittstellen/IO-Bussysteme ersetzen Sternförmiger Aufbau mit mehreren 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 Technische Informatik I (SS 2006) 49
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 isochron definierte 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 pair Differential Signal pair Technische Informatik I (SS 2006) 50
Host (= Master) leitet alle Transaktionen ein USB-Protokoll Host (= Master) leitet alle Transaktionen ein durch Generierung eines Tokens Adresstoken mit gewähltem Endgerät und Richtung Datenpaket Technische Informatik I (SS 2006) 51
USB-Bandbreite / Plug & Play 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) Technische Informatik I (SS 2006) 52
Serielle Busse: hauptsächlich für Peripheriegeräte verwendet 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 Technische Informatik I (SS 2006) 53
Zusammenfasung: Bus-Systeme in einem PC Technische Informatik I (SS 2006) 54