Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия

Гук Михаил Юрьевич

11.5. Программно-управляемая реализация последовательных интерфейсов

Рассмотренные выше интерфейсы — I²C, SMBus, SMI, SPI и JTAG — имеют общее свойство: они управляются и синхронизируются контроллером и не требуют фиксированной частоты синхронизации. Это позволяет для многих применений программно реализовать их на любом компьютере или микроконтроллере. На рис. 11.9 приведена схема простейшего адаптера интерфейсов I²C, SMBus или SMI для LPT-порта. Здесь сигнал

SCL

(или

MDC

в SMI) формируется непосредственно от выходной линии

Strobe

; для его переключения достаточно последовательно записывать в бит 0 регистра

CR

(порт с адресом

LPT_BASE

+2) нули (высокий уровень сигнала) и единицы (низкий). Двунаправленный сигнал

SDA

(

MDIO

в SMI) реализуется чуть сложнее: для передачи нуля в бит 1 регистра

CR

(

LPT_BASE

+2)

записывается единица, для передачи единицы — нуль. На время чтения в этот бит должен быть записан нуль (чтобы на выходе был высокий уровень), данные (инверсные) считываются из бита 7 регистра

SR

(

LPT_BASE

+1). В адаптере должен использоваться диод с малым прямым падением напряжения. Лучше всего для этого подходят германиевые меза-диоды Д310 или Д311; кремниевые диоды, даже с барьерами Шоттки, здесь работают хуже (возможен слишком высокий формируемый уровень нуля).

Рис. 11.9. Адаптер трехпроводных интерфейсов для LPT-порта

Программная реализация протоколов в среде DOS и Windows 9x не вызывает особых затруднений, поскольку здесь программист может обращаться к регистрам порта непосредственно. В более защищенных ОС (UNIX, Linux, Windows NT/2000) для обращения к регистрам LPT-порта требуются вызовы API.

При использовании данных адаптеров следует внимательно относиться к проблемам защиты от помех. Непосредственно с адаптера сигналы можно передавать лишь на небольшие расстояния (десятки сантиметров). Для передачи на большие расстояния (если ПК не приблизить к объекту) подойдут преобразователи уровней сигналов ТТЛ в дифференциальные сигналы интерфейса RS-422 и обратно. При этом адаптер разделяется на 2 блока, соединенные кабелем, — первый блок устанавливается на LPT-порт, другой — около подключаемого объекта.

Несколько сложнее получаются адаптеры этих интерфейсов для СОМ-портов. Здесь можно программно генерировать сигналы

DTR

и

RTS

и считывать состояния сигналов

CIS

,

DSR

,

DCD

и

RI

. Усложнение заключается в необходимости использования преобразователей уровней сигналов RS-232C в ТТЛ (для этого выпускается ряд микросхем, например фирмами Maxim, Sypex), для которых требуется подача питания.

Для интерфейсов SPI и JTAG тоже можно использовать LPT-порт, здесь даже не требуется организация двунаправленных линий. Сигналы

SCK

и

MOSI

(SPI),

TCK

,

TMS

,

TDO

и

TRST

(JTAG) можно подключить к любым выходным линиям порта,

MISO

(SPI),

TDI

(JTAG) — к любой входной линии. Простейший адаптер содержит лишь последовательные резисторы 100–150 Ом, включенные в сигнальные цепи для уменьшения «звона» и влияния кабеля на схему. Однако такая схема может надежно работать лишь при небольшой длине кабеля (20–30 см), что не всегда удобно. Более надежна и удобна схема с буферами, способными переходить в высокоимпедансное состояние (например, 74НС244 или 1556АП5). Плата с буфером может соединяться с LPT-портом довольно длинным кабелем, а от нее к устройству идет короткий кабель. Программно-управляемый перевод буфера выходных сигналов в третье состояние позволяет логически отключать адаптер от программируемой схемы, что особенно удобно в процессе отладки программируемых устройств. Именно так устроен популярный адаптер «ByteBlaster», применяемый для программирования конфигурируемой логики фирмы Altera и других. Адаптер вместе с ПО может обеспечивать протокол SPI (быть ведущим устройством в варианте с двухточечной топологией), JTAG и собственный протокол программирования устройств «Serial Passive». Схемы различных адаптеров и ПО для них можно легко найти в Сети.

Программная реализация последовательных протоколов ограничивает скорость передачи данных на уровне 50-150 Кбит/с при работе LPT-порта в стандартном режиме. В режиме EPP или ECP можно достичь скорости и 1–2 Мбит/с, но при этом адаптер несколько усложняется (поскольку в этих интерфейсах требуется одновременно принимать и передавать данные). Решить проблему производительности, а заодно и расширить функциональные возможности позволяет использование специализированных интерфейсных адаптеров для шин PCI или ISA, выпускаемых рядом фирм. Есть и внешние устройства с интерфейсами USB или Ethernet. Правда, цена этих адаптеров и устройств существенно отличается от цены простого адаптера, который можно изготовить и самостоятельно.

Глава 12

Архитектурные компоненты IBM PC-совместимого компьютера

Аппаратные интерфейсы, описанные в книге, в IBM-PC-совместимом компьютере «живут» в специфическом архитектурном окружении. Эту специфику приходится учитывать при проектировании аппаратной части устройств, чтобы обеспечить с ними эффективное программное взаимодействие. В этой главе вкратце рассматриваются особенности процессоров x86 и связанные с этими особенностями распределение памяти, организация ввода-вывода и прерываний. Здесь же рассматривается традиционный

контроллер DMA, системные средства измерения времени, а также способы внедрения собственных расширений BIOS и нетрадиционной (бездисковой) загрузки ПО в специализированные компьютеры на базе IBM PC.

12.1. Пространство физической памяти

Основную часть физического адресного пространства PC занимает оперативная память (ОЗУ), начинающаяся с нулевого адреса. В нее вклинивается область адресов A0000h-FFFFFh — Upper Memory Area (UMA), 384 Кбайт — верхняя память, зарезервированная со времен IBM PC для системных нужд. В UMA размещаются области буферной памяти адаптеров шины (E)ISA (например, видеопамять) и постоянная память (BIOS с расширениями). ОЗУ продолжается и за областью UMА. Под самой верхней границей физического адресного пространства имеется образ памяти системной ROM BIOS.

Для доступности сервисов BIOS в реальном режиме все ПК имеют образ ROM BIOS в адресах E0000h-FFFFFh или F0000h-0FFFFFh. Кроме того, образ BIOS должен находиться и под самой верхней границей адресного пространства, поскольку все процессоры х86 по аппаратному сбросу стартуют с адреса начала последнего параграфа памяти (FFFF0h — 8086/88, FFFFF0h — 80286 и 386SX, FFFFFFF0h — 386DX и выше с 32-разрядной шиной адреса, FFFFFFFF0h — P6 и выше с 36-разрядной шиной адреса).

Для компьютеров класса АТ-286 и 386SX с 24-битной шиной адреса верхняя граница оперативной памяти — FDFFFFh (максимальный размер 15,9 Мбайт). Область FE0000h-FFFFFFh содержит образ ROM BIOS, обращение к этой области эквивалентно обращению к ROM BIOS по адресам 0E0000h-0FFFFFh.

Для ПК на процессорах 386DX и выше с 32-битной шиной адреса теоретический предел объема ОЗУ — почти 4 Гбайт, верхний образ BIOS находится в адресах FFFE0000h-FFFFFFFFh. Для ПК на процессорах P6+ с 36-битной шиной адреса предел объема ОЗУ — почти 64 Гбайт и верхний образ BIOS находится в адресах FFFFE0000h-FFFFFFFFFh.

Области физических адресов, не занятые ОЗУ и ROM BIOS, могут быть использованы устройствами шин (E)ISA и PCI (AGP).

Для памяти адаптеров, устанавливаемых в шину ISA, безусловно доступна часть области адресов UMA A0000h-EFFFFh или A0000h-DFFFFh (до начала ROM BIOS). В этой области располагаются и модули расширений BIOS (см. п. 12.7.1). Карты ISA могут иметь память и в области FE0000h-FFFFFFh, но она программно доступна лишь в защищенном (и большом реальном) режимах процессора. Для отображения этой области памяти на шину ISA (а не ОЗУ) в CMOS Setup предусмотрен параметр

Memory Hole At 15-16М

, но его включение не позволит использовать оперативную память свыше 15 Мбайт.

Поскольку шина ISA имеет 24-разрядную шину адреса, ведущие устройства этих шин (ISA Bus Master) способны обращаться к памяти (ОЗУ и память адаптеров) в пределах первых 16 Мбайт (000000-FFFFFFh). To же ограничение касается и стандартного контроллера DMA, которым могут пользоваться устройства шины ISA (и иные устройства системной платы).

Шина PCI имеет 32-разрядную шину адреса, так что ее ведущим устройствам доступна вся физическая память [5] . Для устройств PCI могут выделяться любые области адресов, свободные от ОЗУ, ROM BIOS и устройств ISA. Области адресов памяти, используемые каждым устройством PCI, описаны в заголовках их конфигурационных пространств. Эти данные требуются при распределении ресурсов и настройке мостов PCI в процессе инициализации шины.

5

Для пока еще экзотических вариантов системных плат с памятью более 4 Гбайт и 36-разрядной физической адресацией последних моделей процессоров PCI может использовать двухадресные циклы обращения с 64-битным адресом.

12.2. Пространство ввода-вывода

Пространство ввода-вывода в IBM PC, как и в процессорах х86, отделено от пространства памяти. У всех этих процессоров, в том числе и 32-разрядных, в пространстве ввода-вывода используется 16-разрядная адресация (диапазон адресов 0-FFFFh). Для дешифрации адресов портов в оригинальном PC из 16 бит использовались только младшие 10 (

А0

–

А9

), что обеспечивает обращением портам в диапазоне адресов 0-3FFL Старшие биты адреса, хотя и поступают на шину, устройствами игнорируются. В результате обращения по адресам, к примеру 378h, 778h, B78h и F78h, будут восприниматься устройствами одинаково. Это упрощение, нацеленное на снижение стоимости как системной платы, так и схем плат адаптеров, для шины ISA никто не отменял. Традиционные адаптеры для шины ISA, называемые Legacy Card («наследие тяжелого прошлого»), для старших бит адреса не имеют даже печатных ламелей на своем краевом разъеме. Впоследствии перешли к 12-битной адресации устройств шины ISA, но ее приходится применять с оглядкой на возможное присутствие устройств с 10-битной адресацией. В адаптерах для шин MCA и PCI и во всех современных системных платах используются все 16 бит адреса. Карта распределения адресов ввода-вывода стандартных устройств PC приведена в табл. 12.1. Эта карта подразумевает 10-битную дешифрацию адреса. Естественно, что в конкретном компьютере реально присутствуют не все перечисленные устройства, но в то же время там могут оказаться другие, не попавшие в таблицу.