Последовательная универсальная шина USB (Universal Serial Bus). Универсальная последовательная шина Последовательная шина usb режимы передачи данных

Последовательная шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициирована весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера – контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Возможности последовательной шины USB следуют из ее технических характеристик:

Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Mb/s

Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 m

Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1.5 Mb/s

Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 m

Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127.

Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI

Напряжение питания для периферийных устройств – 5 V

Максимальный ток потребления на одно устройство – 500 mA.

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.

Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.

Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Сигналы USB передаются по 4–х проводному кабелю.

Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 69.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

Физическое устройство USB – устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.

Client SW – ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост–компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

USB System SW – системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

USB Host Controller – аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост–компьютеру.

Рис. 69 Взаимодействие компонентов USB

Физический интерфейс

Информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D– по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах – 0,5...+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.

Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D–, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния DiffO и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D – более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D– присутствует низкий уровень, называется линейным ну– лем (SEO – Single–Ended Zero). интерфейс определяет следующие состояния:

DataJ State и Data К State – состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния DiffO и Diff1.

Idle State – пауза на шине.

Resume State – сигнал "пробуждения" для вывода устрой– ства из "спящего" режима.

Start of Packet (SOP) – начало пакета (переход из Idle State в К).

End of Packet (EOP) – конец пакета.

Disconnect – устройство отключено от порта.

Connect – устройство подключено к порту.

Reset – сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение. В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая – 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой –невитой неэкранированньгй кабель до 3 м.

Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 72. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика.

Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

Рис. 70 Подключение полноскоростного устройства

Рис. 71 Подключение низкоскоростного устройства

Рис. 72. Кодирование данных по методу NRZI

Стандарт определяет два типа разъемов (табл. 7 и рис.73).

Таблица 7

Разъемы типа "А" применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов.

Разъемы типа "В" (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа "А".

Разъемы типов "А" и "В" различаются механически (рис. 73), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение.

Рис. 73. Гнезда USB: а – типа "А", б – типа "В", в – символическое обозначение

Модель передачи данных

Каждое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint), с которыми хост–контроллер обменивается информацией. Конечные точки описываются следующими параметрами:

требуемой частотой доступа к шине и допустимыми задержками обслуживания;

требуемой полосой пропускания канала;

номером точки;

требованиями к обработке ошибок;

максимальными размерами передаваемых и принимаемых пакетов;

типом обмена;

направлением обмена (для сплошного и изохронного обменов).

Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса его состояния. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине. Оно поддерживает передачи типа "управление".

Кроме нулевой точки, устройства–функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные – до 16 точек ввода и 16 точек вывода (протокольное ограничение). Точки не могут быть использованы до их конфигурирования (уста– новления согласованного с ними канала).

Каналом {Pipe) в USB называется модель передачи данных между хост–контроллером и конечной точкой (Endpoint) ус– тройства. Имеются два типа каналов: потоки (Stream) и со– общения (Message). Поток доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух поточных каналов – ввода и вывода. Поток может реализовывать следующие типы обмена: сплошной, изохронный и прерывания. Доставка всегда идет в порядке "первым вошел – первым вышел" (FIFO); с точки зрения USB, данные потока неструктурированы. Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двухсторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке. Для доставки сообщений используется только обмен типа "управление".

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния.

Типы передачи данных

USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

Управляющие посылки (Control Transfers), используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой.

Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени доставки. Передачи занимают всю свободную полосу про– пускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи.

Прерывания (Interrupt) – короткие (до 64 байт на полной скорости, до 8 байт на низкой) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1–255 мс для полной скорости и 10–255 мс – для низкой.

Изохронные передачи (Isochronous Transfers) – непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора – недействительные пакеты игнорируются. Пример – цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Архитектура USВ предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек – источников или получателей данных – с системой: различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Протокол

Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет–маркер {Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.

Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:

Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.

Защита полей управления и данных CRC–кодами.

Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.

Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.

Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.

Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC–кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.

Форматы пакетов

Байты передаются по шине последовательно, начиная с младшего бита. Все посылки организованы в пакеты. Каждый пакет начинается с поля синхронизации Sync, которое представляется последовательностью состояний KJKJKJKK (кодированную по NRZI), следующую после состояния Idle. Последние два бита (КК) являются маркером начала пакета SOP, используемым для идентификации первого бита идентификатора пакета PID. Идентификатор пакета является 4–битным полем PID, идентифицирующим тип пакета (табл.8), за которым в качестве контрольных следуют те же 4 бита, но инвертированные.

В пакетах–маркерах IN, SETUP и OUT следующими являются адресные поля: 7–битный адрес функции и 4–битный адрес конечной точки. Они позволяют адресовать до 127 функций USB (нулевой адрес используется для конфигурирования) и по 16 конечных точек в каждой функции.

В пакете SOF имеется 11–битное поле номера кадра (Frame Number Field), последовательно (циклически) увеличиваемое для очередного кадра.

Поле данных может иметь размер от 0 до 1023 целых байт. Размер поля зависит от типа передачи и согласуется при установлении канала.

Поле СКС-кола присутствует во всех маркерах и пакетах данных, оно защищает все поля пакета, исключая PID. CRC для маркеров (5 бит) и данных (11 бит) подсчитываются по разным формулам.

Таблица 8

			Содержимое и назначение
			Адрес функции и номер конечной точки – маркер транзакции функции
			Адрес функции и номер конечной точки – маркер транзакции хоста
			Маркер начала кадра
			Адрес функции и номер конечной точки – маркер транзакции с управляющей точкой
			Пакеты данных с четным и нечетным PID чередуются для точной идентификации подтверждений
			Подтверждение безошибочного приема пакета
			Приемник не сумел принять или передатчик не сумел передать данные. Может использоваться для управления потоком данных (неготовность). В транзакциях прерываний является признаком отсутствия необслуженных прерываний
			Конечная точка требует вмешательства хоста
			Преамбула передачи на низкой скорости

Каждая транзакция инициируется хост–контроллером посылкой маркера и завершается пакетом квитирования. Последовательность пакетов в транзакциях иллюстрирует рис. 7.7.

Хост-контроллер организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Контроллер циклически (с периодом 1 мс) формирует кадры (Frames), в которые укладываются все запланированные транзакции. Каждый кадр начинается с посылки маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы. В конце каждого кадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Каждый кадр имеет свой номер. Хост–контроллер оперирует 32–битным счетчиком, но в маркере SOF передает только младшие 11 бит. Номер кадра увеличивается (циклически) во время EOF. Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в них всегда находилось место для транзакций управления и прерывания. Свободное время кадров может заполняться сплошными передачами (Bulk Transfers).

Задание для выполнения работы

1. Описать функции управления шиной и портами

а) формирование адреса порта

б) организация сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП.

2. Структура микропроцессорной памяти.

3. Последовательная шина USB. Режимы передачи данных.

4. Чипсет. Его назначение. Диаграмма чипсета.

5. Микропроцессорная память. Регистры и их назначение.

6. Стандартные интерфейсы и форматы передачи данных.

7. Привести схемы подключение модемов, принтеров, плоттеров к COM-порту.

8. Нарисовать схему взаимодействия компонентов \USB.

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (devices) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Устройство-хаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированное устройство (compound device), содержащее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств. Шина USB является хостцентрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства - исключительно ведомые. Физическая топология шины USB - многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub), как правило, двухпортовым. Хаб является устройством-разветвителем, он может являться и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства внутри себя содержат хаб, их подключения к хабу 6-го яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба. Логическая топология USB - про¬сто звезда: для хостконтроллера хабы создают иллюзию непосредственного подключения каждого устройства. В отличие от шин расширения (ISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами посредством обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB.

В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин AT А и особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное. Кабель USB содержит одну экранированную витую пару с импедансом 90 Ом для сигнальных цепей и одну неэкранированную для подачи питания (+5 В), допустимая длина сегмента - до 5 м. Для низкой скорости может использоваться невитой неэкранированный кабель длиной до 3 м (он дешевле). Система кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (рис. 13.1, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (рис. 13.1, в). Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «А» - на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «В» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств - мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Кроме стандартных разъемов, показанных на рисунке 19, применяются и миниатюрные варианты (рис. 20, в, г, д). Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения. Для этого разъемы обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению к сигнальным, кроме того, предусмотрен протокол сигнализации подключения и отключения устройств. Назначение выводов разъемов USB приведено в табл. 9, нумерация контактов показана на рис. 20. Все кабели USB «прямые» - в них соединяются одноименные цепи разъемов.

Рис. 19. Коннекторы USB: a - вилка типа «А», б - вилка типа «В», в - символическое обозначение

Рис. 20. Гнезда USB: а - типа «А», б - типа «В» стандартное, в,г,д - миниатюрные типа «В»

Таблица 9. Назначение выводов разъема USB

В шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Скорость устройства, подключенного к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами приемопередатчиков: устройства с низкой скоростью «подтягивают» к высокому уровню линию D-, с полной - D+. Подключение устройства HS определяется на этапе обмена конфигурационной информацией - физически на первое время устройство HS должно подключаться как FS. Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника, каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса.

Введение высокой скорости (480 Мбит/с - всего в 2 раза медленнее, чем Gigabit Ethernet) требует тщательного согласования приемопередатчиков и линии связи. На этой скорости может работать только кабель с экранированной витой парой для сигнальных линий. Для высокой скорости аппаратура USB должна иметь дополнительные специальные приемопередатчики. В отличие от формирователей потенциала для режимов FS и LS, передатчики HS являются источниками тока, ориентированными на наличие резисторов-терминаторов на обеих сигнальных линиях.

Скорость передачи данных (LS, FS или HS) выбирается разработчиком периферийного устройства в соответствии с потребностями этого устройства. Реализация низких скоростей для устройства обходится несколько дешевле (приемопередатчики проще, а кабель для LS может быть и неэкранированной невитой парой). Если в «старой» USB устройства можно было, не задумываясь, подключать в любой свободный порт любого хаба, то в USB 2.0 при наличии устройств и хабов разных версий появились возможности выбора между оптимальными, неоптимальными и неработоспособными конфигурациями.

Хабы USB 1.1 обязаны поддерживать скорости FS и LS, скорость подключенного к хабу устройства определяется автоматически по разности потенциалов сигнальных линий. Хабы USB 1.1 при передаче пакетов являются просто повторителями, обеспечивающими прозрачную связь периферийного устройства с контроллером. Передачи на низкой скорости довольно расточительно расходуют потенциальную пропускную способность шины: за то время, на которое они занимают шину, высокоскоростное устройство может передать данных в 8 раз больше. Но ради упрощения и удешевления всей системы на эти жертвы пошли, а за распределением полосы между разными устройствами следит планировщик транзакций хост-контроллера.

В спецификации 2.0 скорость 480 Мбит/с должна уживаться с прежними, но при таком соотношении скоростей обмены на FS и LS «съедят» возможную полосу пропускания шины без всякого «удовольствия» (для пользователя). Чтобы этого не происходило, хабы USB 2.0 приобретают черты коммутаторов пакетов. Если к порту такого хаба подключено высокоскоростное устройство (или аналогичный хаб), то хаб работает в режиме повторителя, и транзакция с устройством на HS занимает весь канал до хост-контроллера на все время своего выполнения. Если же к порту хаба USB 2.0 подключается устройство или хаб 1.1, то по части канала до контроллера пакет проходит на скорости HS, запоминается в буфере хаба, а к старому устройству или хабу идет уже на его «родной» скорости FS или LS. При этом функции контроллера и хаба 2.0 (включая и корневой) усложняются, поскольку транзакции на FS и LS расщепляются и между их частями вклиниваются высокоскоростные передачи. От старых (1.1) устройств и хабов все эти тонкости скрываются, что и обеспечивает обратную совместимость. Вполне понятно, что устройство USB 2.0 сможет реализовать высокую скорость, только если по пути от него к хост-контроллеру (тоже 2.0) будут встречаться только хабы 2.0. Если это правило нарушить и между ним и контроллером 2.0 окажется старый хаб, то связь может быть установлена только в режиме FS. Если такая скорость устройство и клиентское ПО устроит (к примеру, для принтера и сканера это выльется только в большее время ожидания пользователя), то подключенное устройство работать будет, но появится сообщение о неоптимальной конфигурации соединений. По возможности ее (конфигурацию) следует исправить, благо переключения кабелей USB можно выполнять на ходу. Устройства и ПО, критичные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать откажутся и категорично потребуют переключений. Если же хост-контроллер старый, то все преимущества USB 2.0 окажутся недоступными пользователю. В этом случае придется менять хост-контроллер (менять системную плату или приобретать PCI-карту контроллера). Контроллер и хабы USB 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к раз¬ным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них суммарная пропускная способность шины USB возрастет по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов.

Хаб является ключевым элементом системы PnP в архитектуре USB. Хаб выполняет множество функций:

• обеспечивает физическое подключение устройств,

формируя и воспринимая

• сигналы в соответствии со спецификацией шины на

каждом из своих портов;

• управляет подачей питающего напряжения на

нисходящие порты, причем предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом;

• отслеживает состояние подключенных к нему устройств,

уведомляя хост об изменениях;

• обнаруживает ошибки на шине, выполняет процедуры

восстановления и изолирует неисправные сегменты шины;

• обеспечивает связь сегментов шины, работающих на

разных скоростях.

Хаб следит за сигналами, генерируемыми устройствами. Неисправное устройство может не вовремя «замолчать» (потерять активность) или, наоборот, что-то «бор¬мотать» (babble). Эти ситуации отслеживает ближайший к устройству хаб и за¬прещает восходящие передачи от такого устройства не позже, чем по границе (микро)кадра. Благодаря бдительности хабов эти ситуации не позволят неисправному устройству заблокировать всю шину.

Каждый из нисходящих (downstream) портов может быть разрешен или запрещен, а также сконфигурирован на высокую, полную или ограниченную скорость обмена. Хабы могут иметь световые индикаторы состояния нисходящих портов, управляемые автоматически (логикой хаба) или программно (хост-контроллером). Индикатор может представлять собой пару светодиодов - зеленый и желтый (янтарный) или один светодиод с изменяющимся цветом. Состояние порта представляется следующим образом:

• не светится - порт не используется;
• зеленый - нормальная работа;
• желтый - ошибка;
• зеленый мигающий - программа требует внимания

пользователя (Software attention);

• желтый мигающий - аппаратура требует внимания

пользователя (Hardware attention).

Восходящий (upstream) порт хаба конфигурируется и внешне представляется как полноскоростной или высокоскоростной (только для USB 2.0). При подключении порт хаба USB 2.0 обеспечивает терминацию по схеме FS, в режим HS он переводится только по команде контроллера.

На рис. 13.3 приведен вариант соединения устройств и хабов, где высокоскоростным устройством USB 2.0 является только телекамера, передающая видеопоток без компрессии. Подключение принтера и сканера USB 1.1 к отдельным портам хаба 2.0, да еще и развязка их с аудиоустройствами, позволяет им использовать полосу шины по 12 Мбит/с каждому. Таким образом, из общей полосы 480 Мбит/с на «старые» устройства (USB 1.0) выделяется 3x12=36 Мбит/с. Вообще-то мож¬но говорить и о полосе в 48 Мбит/с, поскольку клавиатура и мышь подключены к отдельному порту хост-контроллера USB 2.0, но эти устройства «освоят» только малую толику из выделенных им 12 Мбит/с. Конечно, можно подключать клавиатуру и мышь к порту внешнего хаба, но с точки зрения повышения надежности системные устройства ввода лучше подключать наиболее коротким (по количеству кабелей, разъемов и промежуточных устройств) способом. Неудачной конфигурацией было бы подключение принтера (сканера) к хабу USB 1.1 - во время работы с аудиоустройствами (если они высокого качества) скорость печати (сканирования) будет падать. Неработоспособной конфигурацией явилось бы подключение телекамеры к порту хаба USB 1.1.

При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства - так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабо¬чий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать режим приостановки (suspended mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Рис. 21. Пример конфигурации соединений

Возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хост-компьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик: высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Mбит/с; максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м; низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1,5 Mбит/с; максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м; максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127; возможно подключение устройств с различными скоростями обмена; напряжение питания для периферийных устройств – 5 В; максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 ´ 500 мA = 63,5 A)

Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой «звездой». Даже терминология похожа – размножители шины также называются HUB.

Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (см. рис. 5.22) (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):

Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети – компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB"ы встраиваются в мониторы и клавиатуры.

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рис. 5.22:

Рис. 5.22. Передача сигнала по USB-кабелю

Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – +5 V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D – для приема данных. Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

В 1999 году тот же консорциум компьютерных компаний, который инициировал разработку первой версии стандарта на шину USB, начал активно разрабатывать версию 2.0 USB, которая отличается тем, что полоса пропускания шины увеличена в 20 раз, до 250 Mбит/с, что делает возможным передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire). Совместимость всей ранее выпущенной периферии и высокоскоростных кабелей полностью сохраняется и сохраняется одно из самых главных достоинств USB – низкая стоимость контроллера.

Универсальная последовательная шина

• Mini-B Connector ECN : извещение выпущено в октябре 2000 года.
• Errata, начиная с декабря 2000 : извещение выпущено в декабре 2000 года.
• Pull-up/Pull-down Resistors ECN
• Errata, начиная с мая 2002 : извещение выпущено в мае 2002 года.
• Interface Associations ECN : извещение выпущено в мае 2003 года.
  • Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства.
• Rounded Chamfer ECN : извещение выпущено в октябре 2003 года.
• Unicode ECN : извещение выпущено в феврале 2005 года.
  • Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE .
• Inter-Chip USB Supplement : извещение выпущено в марте 2006 года.
• On-The-Go Supplement 1.3 : извещение выпущено в декабре 2006 года.
  • USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого.

USB OTG

USB 3.0

USB 3.0 находится на финальных стадиях разработки. Созданием USB 3.0 занимаются компании: Microsoft, Texas Instruments, NXP Semiconductors. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта будут физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии - пару для приёма/передачи данных, одну - для питания и ещё одну - для заземления. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет пять новых линий (в результате чего кабель стал гораздо толще), однако новые контакты расположены параллельно по отношению к старым на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с - что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. USB 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь сможет не только подпитывать от одного хаба гораздо большее количество устройств, но и само аппаратное обеспечение, ранее поставлявшееся с отдельными блоками питания, избавится от них.

Здесь GND - цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus - +5 В, так же для цепей питания. Данные передаются по проводам D+ и D− дифференциально (состояния 0 и 1 (в терминологии официальной документации diff0 и diff1 соответственно) определяются по разности потенциалов межу линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий (D− в случае diff0 и D+ при diff1) потенциал относительно GND выше 2,8 В. Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным (например, при инициализации устройство сообщает хосту о режиме, поддерживаемом устройством (Full-Speed или Low-Speed), подтягиванием одной из линий данных к V_BUS через резистор 1.5 кОм (D− для режима Low-Speed и D+ для режима Full-Speed, устройства, работающие в режиме Hi-Speed, ведут себя на этой стадии как устройства в режиме Full-Speed). Так же иногда вокруг провода присутствует волокнистая обмотка для защиты от физических повреждений. .

Коннектор USB 3.0 тип B

Коннектор USB 3.0 тип А

Кабели и разъёмы USB 3.0

Недостатки USB

Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся. Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

USB и FireWire/1394

Протокол USB storage, представляющий собой метод передачи команд

Кроме того, USB storage не поддерживался в старых ОС (первоначальная Windows 98), и требовал установки драйвера. SBP-2 поддерживался и в них. Также в старых ОС (Windows 2000) протокол USB storage был реализован в урезанном виде, не позволяющем использовать функцию прожига CD/DVD дисков на подключенном по USB дисководе, SBP-2 никогда не имел таких ограничений.

Шина USB строго ориентирована, потому соединение 2 компьютеров или же 2 периферийных устройств требует дополнительного оборудования. Некоторые производители поддерживают соединение принтера и сканера, или же фотоапарата и принтера, но эти реализации сильно завязаны на конкретного производителя и не стандартизированы. Шина 1394/FireWire не подвержена этому недостатку (можно соединить 2 видеокамеры).

Тем не менее, ввиду лицензионной политики Apple, а также намного более высокой сложности оборудования, 1394 менее распространен, материнские платы старых компьютеров не имеют 1394 контроллера. Что касается периферии, то поддержка 1394 обычно не встречается ни в чем, кроме видеокамер и корпусов для внешних жестких дисков и CD/DVD приводов.

См. также

• FireWire
• TransferJet

Источники

Ссылки

• USB News (нем.)
• List of USB ID’s (Vendors, devices and interfaces) (англ.)

Шины PCI и PCI Express подходят для соединения высокоскоро­стных периферийных устройств, но использовать интерфейс PCI для низкоско­ростных устройств ввода-вывода (например, мыши и клавиатуры) неэффективно.

Кроме того, для добавления новых уст­ройств использовались свободные ISA- и PCI-слоты, в которые вставлялись платы контроллеров УВВ.

При этом пользователь должен сам установить пе­реключатели и перемычки на, затем должен открыть систем­ный блок, вставить плату, закрыть системный блок и включить ком­пьютер.

Для многих этот процесс очень сложен и часто приводит к ошибкам. Кроме того, количество ISA- и PCI-слотов очень мало (обычно два или три).

В 1993 году представители семи компаний (Compaq, DEC, IBM, Intel, Micro­soft, NEC и Nothern Telecom) разработали шину, опти­мально подходящую для подсоединения низкоскоростных устройств.

Результатом их работы стала шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина), удовлетворяющую следующим требованиям:

• пользователи не должны устанавливать переключатели и перемычки на платах и устройствах;
• пользователи не должны открывать компьютер, чтобы установить новые устройства ввода-вывода;
• должен существовать только один тип кабеля, подходящий для соедине­ния всех устройств;
• устройства ввода-вывода должны получать питание через кабель;
• должна быть возможность подсоединения к одному компьютеру до 127 устройств;
• система должна поддерживать устройства реального времени (например,
  звуковые устройства, телефон);
• должна быть возможность устанавливать устройства во время работы компьютера;
• должна отсутствовать необходимость перезагружать компьютер после ус­тановки нового устройства;
• производство новой шины и устройств ввода-вывода для нее не должно требовать больших затрат.

Общая пропускная способность первой версии шины (USB 1.0) составляет 12 Мбит/с.

Версия 2.0 работает на скорости 480 Мбит/с что вполне достаточно для принтеров, цифровых камер и многих других устройств. Предел был выбран для того, чтобы снизить стоимость шипы.

Версия USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с - что на порядок больше USB 2.0 (480 Мбит/с). Таким образ, скорость передачи возрастает с 60 Мбайт/с до 600 Мбайт/с

Шина USB состоит из корневого хаба (root hub), который вставляется в разъем главной шины (см, рис. 3.49). Этот корневой хаб (часто называемый корневым концентратором) содержит разъемы для кабелей, которые могут подсоединяться к устройствам ввода-вывода или к дополнительным хабам, чтобы увеличить ко­личество разъемов.

Таким образом, топология шины USB представляет собой дерево с корнем в корневом хабе, который находится внутри компьютера.

Кон­некторы (разъемы) кабеля со стороны устройства отличаются от коннекторов со стороны хаба, чтобы пользователь случайно не подсоединил кабель другой стороной.

Кабель состоит из четырех проводов: два из них предназначены для переда­чи данных, один - для питания (+5 В) и один - для земли. Система передает 0 изменением напряжения, а 1 - отсутствием изменения напряжения» поэтому длинная последовательность нулевых битов порождает поток регулярных им­пульсов.

Когда соединяется новое устройство ввода-вывода, корневой хаб обнаружи­вает этот факт и прерывает работу операционной системы.

Затем операционная система запрашивает новое устройство» выясняя, что оно собой представляет и какая пропускная способность шины для него требуется.

Если операционная система решает, что для этого устройства пропускной способности достаточно, она приписывает ему уникальный адрес (1-127) и загружает этот адрес и другую информацию в конфигурационные регистры внутри устройства.

Таким образом, новые устройства могут подсоединяться *ша лету», при этом пользователю не нужно устанавливать новые платы ISA или PCI.

Неинициализированные платы начинаются с адреса 0, поэтому к ним можно обращаться. Многие устройства снабжены встроенными сетевыми концентраторами для дополнительных уст­ройств. Например, монитор может содержать два хаба для правой и левой ко­лонок.

Шипа USB представляет собой ряд каналов между корневым хабом и устрой­ствами ввода-вывода. Каждое устройство может разбить свой канал максимум на 16 подканалов для различных типов данных (например, аудио и видео).

В ка­ждом канале или подканале данные перемещаются от корневого хаба к устройст­ву и обратно- Между двумя устройствами ввода-вывода обмена информацией не происходит.

Ровно через каждую миллисекунду (±0,05 мс) корневой хаб передает новый кадр, чтобы синхронизировать все устройства во времени. Кадр состоит из пакетов, первый из которых передается от хаба к устройству. Следующие пакеты кадра могут передаваться в том же направлении, а могут и в противоположном (от уст­ройства к хабу). На рис. 3,55 показаны четыре последовательных кадра.

В 1998 году была создана высокоскоростная версии USB, названной USB 2.0. Этот стандарт во многом аналогичен USB 1A и совместим с ним, однако к двум прежним скоростям в нем добавляется новая - 480 Мбайт/с.

3 Организации памяти в ЭВМ

3.1 Иерархическая организация памяти и принцип локальности ссылок

Память - совокупность устройств, служащих для приема, хране­ния и выдачи данных в центральный процессор или внешнюю среду компьютера. Основные операции с памятью - запись и чтение.

В вы­числительных системах память является одним из основных компо­нентов, определяющим как быстродействие, так и функциональные возможности всей системы.

Организация памяти имеет сложный ха­рактер и строится по иерархическому принципу. Ос­нов­ная идея иерархии памяти - согласование скоростей работы операционных устройств, в первую очередь процессора, с запоминающими устрой­ствами.

Иерархическая организация памяти имеет вид, представленный на рис. 3.1, где показаны диапазоны значений емкости и производи­тельности устройств памяти для современных компьютеров.

Р и с. 3.1. Иерархическая организация памяти

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;

ПЗУ - постоянное запоминаю­щее устройство;

CD/DVD - накопитель на оптических дисках;

HDD (Hard Disk Drive) - накопитель на жестком магнитном диске;

SSD (Solid State Drive) - накопитель на«твердом» диске

На рис. 3.1 видно, что на более высоких уровнях иерархии расположены устройства с меньшей емкостью памяти, но с большим быстродей­ствием.

Регистровая память или регистровый файл изготавливается в кри­сталле процессора по такой же технологии и имеет такое же быстро­действие, как и операционные элементы процессора.

Кэш-память первого уровня также выполняется внутри процессора, что дает воз­можность обращения к командам и данным с тактовой частотой рабо­ты процессора.

Во многих моделях процессоров кэш- память второго уровня интегрирована в ядро процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняется в виде отдельной ми­кросхемы с высоким быстродействием, либо в процессоре, как в ар­хитектуре Nehalem.

Эффективность иерархической организации связана с важней­шим принципом локальности ссылок или принципом локальности по обращению.

При выполнении большинства программ было замечено, что ад­рес следующей команды будет расположен либо непосредственно за адресом выполняемой команды, либо недалеко от него.

При этом с очень высокой вероятностью данные, используемые этими команда­ми, обычно структурированы и расположены в последовательных ячейках памяти.

Кроме того, программы содержат множество не­больших циклов и подпрограмм, которые многократно повторяются в течение интервала времени.

На рис. 3.2 показаны размещенные в па­мяти два участка программы и соответствующие им области данных.

Р и с. 3.2. Расположение программы и данных в памяти и локальность ссылок

Это явление называется локальность ссылок или локальность по обращению. Известно правило «90/10» - то есть 90% времени работы программы связано с обращением к 10% адресного пространства этой программы.

3.2 Взаимодействие процессора и различных уровней памяти

Уровни иерархии памяти взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все дан­ные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее.

В каждый момент времени идет об­мен с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица инфор­мации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком.

Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер за­фиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss).

Попадание - обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне.

Доля попаданий или коэффициент попаданий есть доля обращений, найденных на более высоком уровне.

Доля промахов есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Потери на промах - время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор).

Потери на промах включают в себя две компоненты: время доступа - время об­ращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки - дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока.

Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Инициатором обращения к памяти практически всегда является процессор. Исключение - режим прямого доступа к памяти, когда ор­ганизуется процесс передачи файлов между ОП и внешней памятью через соответствующую шину, минуя процессор.

В процессе выполнения программы процессор обрабатывает каждую команду и определяет исполнительный адрес А исп операнда.

При этом процессор «не знает», на каком уровне памяти находится этот исполнительный адрес, поэтому сразу формируется обращение к ОП.

Будем рассматривать блочную организацию данных.

· В регистровой памяти данные записы­ваются блоками в виде слов длиной 16, 32, 64 и 128 бит .

· В кэш-памя­ти блоком является строка длиной 16, 32 или 64 байта . В ОП чаще всего используются страницы по 4 - 8 Кб .

· На жестких дисках блоки - это сектора по 512 байт . Как правило, размер страницы ОП кратен длине сектора винчестера.

Если в системе есть кэш-память, то контроллер кэша проверяет, содержит ли кэш запрашиваемый адрес А исп. Если данные с таким ад­ресом есть, то блок с этими данными считывается из кэш-памяти в процессор, а обращение к ОП блокируется.

Если в кэш-памяти нет данных с адресом А исп, то нужный блок ищется в оперативной памя­ти, затем загружается в кэш-память и одновременно передается в про­цессор.

Аналогично, при обращении к основной памяти при попадании блок данных передается в процессор. При промахе данные загружа­ются с жесткого или оптического диска в ОП.

При обращении к архивной памяти блок данных, то есть иско­мый диск, автоматически передается из хранилища и устанавливается в дисковод компьютера.

3.3 Адресная память

В адресном запоминающем устройстве (ЗУ) каждый запоминаю­щий элемент памяти - ячейка, имеет адрес, который показывает его расположение в адресном пространстве.

Поиск информации произво­дится по номеру (адресу) запоминающей ячейки, хранящей данные.

Совокупность N запоминающих ячеек образует запоминающую матрицу ЗМ.

Для компактного расположения запоминающих ячеек и упроще­ния доступа к ним ЗМ организуется как трехмерный куб.

В нем име­ются две адресные координаты A 1 и A 2 , а по третьей координате рас­полагаются

n-разрядные слова.

Если адрес, поступающий с ША, име­ет разрядность к, то он разделяется на две компоненты по k/2 адрес­ных бита:

M= 2 k /2 х 2 k /2 = 2 k .

В этом случае вместо одного ДША с M выходами используются два дешифратора с 2 k /2 выходами, что значи­тельно упрощает схемную реализацию.

На рис. 3.3. показана структурная схема адресного запоминающе­го устройства.

Запоминающая матрица ЗМ имеет две координаты: строки и столбцы. Блок управления (БУ) управляет устройствами ЗУ, получая извне сигналы: RAS, CAS, СЕ, WE и OE.

Сигнал выбора микросхемы СЕ разрешает работу именно этой микросхемы памяти.

Режим чтения или записи определяется сигна­лом WE. На все время, пока микросхема не использует шину данных ШД, информационные выходы регистров переводятся сигналом OE в третье состояние с высоким выходным сопротивлением.

Адрес строки на шине ША сопровождается сигналом RAS, разре­шающим прием адреса и его дешифрацию. После этого сигнал CAS разрешает прием и дешифрацию адреса столбца.

Каждый столбец имеет вторую линию чтения/записи, - для данных. Эти линии на рис. 3.3 показаны пунктиром.

Управление операциями с памятью осуществляется контролле­ром памяти. На каждую операцию требуется, как минимум, пять тактов.

Указание типа операции (чтение или запись) и установка ад­реса строки.

Формирование сигнала RAS.

Установка адреса столбца.

Формирование сигнала CAS.

Запись или выдача данных и возврат сигналов RAS и CAS в неактивное состояние.

Р и с. 3.3. Адресное запоминающее устройство

ЗМ - запоминающая матрица;

RAS - сигнал строба строки (Row Address Strobe);

CAS - сигнал строба столбца(Column Address Strobe);

WE - разрешение записи (Write Enable);

OE - разрешение выдачи выходных сигналов (Output Enable);

CS - выбор микросхемы (Chip Select)

Латентность памяти и тайминги

Под латентностью понимают задержку между поступлением команды в память и ее выполнением. Память не может мгновенно пере­ходить из одного состояния в другое. Для стабильного функциониро­вания памяти необходим пропуск нескольких циклов при изменении состояния ячейки памяти.

Например, после выполнения команды чте­ния должна следовать задержка CAS (CAS La­tency). Это и есть ла­тентность (CL) - наиболее важная характеристика памяти.

Очевидно, чем меньше латентность, тем быстрее работает память.

Латентность памяти определяется ее таймингами, то есть задерж­ками, измеряемыми в количестве тактов между отдельными команда­ми.

Существует несколько видов таймингов памяти.

CL: CAS Latency - время, проходящее от момента подачи команды в память до начала ответа на этот запрос. Это вре­мя, которое проходит между запросом процессора на полу­чение некоторых данных из памяти и моментом выдачи этих данных памятью.

RAS-to-CAS (tRCD): задержка от RAS до CAS - время, ко­торое должно пройти с момента обращения к строке матри­цы (RAS), до момента обращения к ее столбцу матрицы (CAS), с целью выборки данных в которых хранятся нужные данные.

RAS Precharge(tRP) - интервал времени между моментом за­крытия доступа к одной строке и началом доступа к другой строке данных.

Active to Precharge или Cycle Time (tRAS) - пауза, которая нужна памяти, чтобы вернуться в состояние ожидания сле­дующего запроса.

CMD: Скорость поступления команды (Command Rate) - время с момента активации чипа памяти до момента, когда первая команда может обратиться к ней. Обычно это T1 (один тактовый цикл) или T2 (два тактовых цикла).

Производительность памяти растет быстро, а ее латентность практически не улучшается.

В некоторых новых типах памяти с большей пропускной способностью латентность оказывается выше, чем в предыдущих реализациях.

В течение последних 25-ти лет латентность оперативной памяти уменьшилась всего в три раза. При этом тактовая частота процессо­ров возросла в сотни раз.

3.4 Ассоциативная память

Понятие «ассоциация» относится, прежде всего, к памяти, в кото­рой выборка осуществляется не по адресному принципу, а по содер­жанию.

Ассоциативная память использует запись и чтение данных таким образом, чтобы обеспечить выборку слов, имеющих заданное содер­жание определенных полей.

Поиск ведется с использованием ассоци­ативных признаков. Структура такой памяти представлена на рис. 3.4 .

Р и с. 3.4. Ассоциативная память

ЗМ - запоминающая матрица;

ШП - шина признака;

ШД - шина данных

Память хранит M ячеек для m+1 -разрядных слов, имеющих зна­чения признаков.

Служебный m +1-й разряд показывает: «0» - ячейка свободна для записи, «1» - ячейка занята. Значения ассоциативного признака формируются регистром маски из полей признаков, посту­пающих из шины признаков ШП в регистр ассоциативного признака.

Поиск в запоминающей матрице выполняется за один такт одновре­менно по полям ассоциативных признаков всех хранящихся слов.

Это является отличительной чертой ассоциативных устройств памяти.

Ре­ализация такого поиска осуществляется комбинационными схемами совпадения на базе элементов «сложение по модулю 2».