Материал: Лекции

Виды:

• С чередование битов

• С чередованием байтов

• Синхронное

• Статистическое

Мультиплексирование с чередованием битов

• Данные канала передаются со скоростью, превышающей скорости передачи данных отдельных источников

• Выборки берутся последовательно из каждого источника данных в течение временного интервала битов

• Результирующие значения помещаются в канал последовательно

• Процесс повторяется для каждого последующего битового времени

• Временные интервалы синхронизируются между отправителем и получателем

Мультиплексирование с чередованием байтов

• Байты для каждого входного источника последовательно с удвоенной скоростью помещаются в канал данных

• На каждом конце канала связи требуется синхронизация между мультиплексором и демультиплексором

• Процесс продолжается для каждого последующего байта данных

Буферизация при чередовании байтов

Буферизация – задержка данных перед мультиплексированием, пока не будет завершен весь байт

Синхронное мультиплексирование

Временные интервалы, выделенные каждому источнику, фиксированы следовательно каждый временной интервал передается независимо от того, есть ли у источника данные для отправки.

«–» неэффективное использование канала связи, т.к. некоторые временные интервалы пусты

Статическое мультиплексирование

Назначение временных интервалов переменное, а не фиксированное.

Передаются только данные из активных источников, следовательно, нет незаполненных временных интервалов для неактивных источников.

«+» повышается эффективность канала путем использования всех временных интервалов

Мультиплексирование с разделением по частоте

Мультиплексирование с разделением по частоте – полоса пропускания делится на поддиапазоны для каждого источника, а информация отправляется одновременно на разных частотах. На приемном конце сигналы демультиплексируются с использованием полосовой фильтрации. Полоса пропускания каждого источника центрирована вокруг несущей частоты источника и отделена от соседней защитной полосой.

Базовая схема FDM

Применение

TDM:

• Беспроводные TDMA-сети (GSM, системы спутниковой связи и кабельные сети)

• Беспроводные сети Wi-Fi, WiMAX

• Канальная коммутация в локальных сетях – ATM, Ethernet, FDDI

• Коммутация в телефонных сетях

• Последовательные шины PCIe и USB

FDM:

• Радиовещание

• Сети мобильной связи – FDMA для обеспечения доступа абонентов

Шина данных

Шина – набор соединений, которые переносят цифровую информацию между двумя или более системами в указанном формате

• Внутренние – внешние

• Последовательные – параллельные

Параллельные и последовательные шины

• Параллельная шина – перенос битов данных одновременно

• Последовательная шина – перенос битов данных последовательно по одному за раз

Параллельная шина передает данные быстрее, чем последовательная (не всегда)

НО! По мере роста скорости передачи данных возрастает и перекос синхронизации, перекрестные и электромагнитные помехи, следовательно ограничение скорости

Внешние и внутренние шины

Внутренние шины – несут информацию внутри системы, из одной части системы в другую часть той же системы

Внешние шины – (шины расширения) используются для подключения одной системы к другой отельной системе.

Общие характеристики шины

1. Ширина шины – количество бит, которые шина может передать за один раз (от 1 бита доя последовательной шины до 64 битов для параллельной шины)

2. Частота – тактовая частота, на которой работает шина

3. Скорость передачи – число байтов за такт

4. Полоса пропускания (пропускная способность) – число байтов за такт, умноженное на количество тактов в секунду (скорость передачи умножается на частоту)

Динамическая система:

Полоса пропускания = Ширина (бит) * Частота (МГц) / 8 бит

Двоичная система:

Полоса пропускания = (Ширина (бит) * Частота (МГц) / 8 бит) * 10⁶/2²⁰

Характеристики отдельных шин

Протоколы шины

Протокол шины – набор правил, которые позволяют двум или более устройствам взаимодействовать через шину.

Шины обеспечивают:

• Передачу данных

• Выбор адреса

• Контроль передачи

Каждое устройство, подключенное к шине, имеет адрес, назначенные ему для идентифицированных и командных сигналов, а также управляющих сигналов для реализации протокола. Эти сигналы позволяют устройствам правильно работать вместе, идентифицируя друг друга и передавая информацию в прямом и обратном направлении. Одно устройство может отправить запрос на другое устройство и получить подтверждение (ответ).

Квитирование

Синхронные и асинхронные шины

• Синхронная шина – включает такты в линиях управления и имеет фиксированные относительно тактов протокол

«+» синхронная шина является быстрой

«–» каждое подключение к ней устройство должно работать на одной тактовой частоте

«–» физическая длинна шины может быть ограничена из-за необходимости предавать высокочастотный тактовый сигнал

• Асинхронная шина – не тактируется, поэтому может обслуживать различные устройства с разной тактовой частотой. Асинхронная шина использует протокол квитирования для установления связи, как описано ранее.

Дифференциальные и шины с несимметричным выходом

Шина с несимметричным выходом – один провод данных и один провод заземления. Плюсы: проще и дешевле. Минусы: ограничена скоростью передачи данных и расстоянием (длиной кабеля)

Дифференциальная шина – 2 провода данных (витая пара – сигнал данных и его инверсия) и один провод для заземления. Плюсы: высокие скорости и большие расстояния передачи данных, менее чувствительна к шуму.

Шина PCI

Шина PCI (соединение периферийных компонентов) – внутренняя синхронная шина для соединения микросхем, плат расширения и подсистем процессора (памяти).

• Ширина 32 бита, частота 33 МГц, 5В уровня сигнала (опция 3,3В)

• 32-радный разъем имеет 62 контакта: 32 контакта для 32-битных данных, остальные контакты – для командных и управляющих сигналов, питания, заземления и т.д.

Шина PCI-X

PCI-X – высокопроизводительное усовершенствование шины PCI и обратно совместимое с ней.

• Более быстрая шина и имеет дополнительные функции, которые повышают надежность системы, сводя к минимуму ошибки передачи на высоких скоростях

• 64 разрядная шина PCI-X работает на частоте 133 МГц

• Версия PCI-X 2.0 поддерживает частоты 266 МГц и 533 МГц

• Применяются в серверах

Шина PCI-EXPRESS

PCI-EXPRESS не использует общую шину, а каждое устройство PCIe имеет выделенный путь (полосу) к одному чипу – коммутатору. Чем больше полос, тем быстрее передача данных. Следовательно высокая производительность –идеально для видео и графических приложений.

Конфигурация полос PCIE

Двунаправленные данные передаются последовательно по каждой полосе: по одному биту за такт для соединения x1, два бита за такт для x2 и шестнадцать бить за цикл x16. Пропускная способность 4Гбит/с на линию, поддерживает горячую замену.

Шина IEEE-488

IEEE-488 – стандарт, описывающий интерфейс подключения к шине цифровых измерительных приборов с помощью интерфейсной карты.

Интерфейсная шина общего назначения

• 24 линии для одновременной передачи 8 параллельных битов данных, 8 управляющих сигналов (3 линии квитирования и 5 линий управления шиной), 8 линий заземления

• Максимальная скорость передачи данных – 1 Мбит/с

Принцип работы GPIB

• Интерфейсная карта – для подключения испытательного оборудования к компьютеру

• Системный контроллер = компьютер, выдает команду для управляемого устройства на выполнение операции – контроллер «разговаривает» (спикер), а управляемое устройство «слушает» (слушатель)

• Слушатель – прибор, способный отправлять данные через GPIB (цифровые мультитермы и частотомеры)

• Спикер/слушатель – компьютеры, модемы и некоторые измерительные приборы

Передача данных в GPIB

• Параллельные линии данных: DI/O1…DI/O8

• Передаваемый байт подвергается квитированию через шину управления передачей данных

• 3 строки подтверждения активности указывают, являются ли данные действительными (DAV), готов ли адресованный прибор к приему данных (NRFD) или данные не приняты (NDAC)

• Самый медленный прибор устанавливает скорость передачи

• Максимальная длина кабеля GPIB составляет 15 метров

Конфигурация соединителя IEEE-488

Шина SCSI

SCSI ­– шина параллельного ввода-вывода с шириной 8,16 или 32 бита, в зависимости от версии

Используется в:

• Серверах хранения и обработки данных

• Для передачи данных между компьютером и периферийными устройствами (жесткие диски, ленточные накопители, сканеры и CD-дисководы)

Сигналы SCCI

• 9 управляющих сигналов

• Сигналы данных

• Напряжение питания

• Заземление

Следовательно гибкий механизм управления устройствами (многозадачность) и максимальная скорость их работы

Последовательные шины

• USB

• RS-232

• SPI

• I²C

• CAN

• Firewire

Шина USB

USB – стандартная последовательная шина для подключения к компьютеру периферийный устройств (до 127 устройств, горячая замен).

Классификация:

• Низкоскоростные (USB 1.0 – 0,1875MBps)

• Скоростные (USB 1.1 – 1.5MBps)

• Высокоскоростные (USB 2.0 – 60MBps)

• Сверхскоростные (USB 3.0 – 625MBps)

Кабель до 3 м (USB 2.0 – до 5 м), или до 15 м с помощью разветвителя

Кабель и коннекторы USB (до USB 2.0)

Четырёхпроводной кабель включает:

• Витая пара для устранения помех при передаче данных

• Провод +5В

• Провод заземления

Разъёмы на хосте относятся к типу А, а разъёмы для периферийных устройств – к типу B.

Стандарт USB также определяет разъемы меньшего размера, обозначаемые mini и micro

Формат данных USB

Последовательные данные передаются по витой паре (D+ и D-) с использованием полудуплексного дифференциального режима в пакетах с использованием NRZI с уровнем 3,3В

Пакет может содержать поля:

• Sync field (синхронизации) – в начале всех пакетов, для синхронизации тактов приемника с тактами передатчика

• PID filed (идентификации) – для идентификации типа передаваемого пакета

• ADDR filed (адреса) – указывает, на какое устройство отправляется пакет, 7 битов позволяют поддерживать 127 устройств

• Data field (данных) – содержит до 1024 байтов данных

• ENDP field (конечной точки) – указывает на источник данных или приемник

• CRC field – циклические проверки на избыточность

• EOP filed – указывает на конец пакета

Типы пакетов USB

• пакет маркера – указывает тип транзакции

• Пакет данных – содержит физические данные

• Пакет квитирования – подтверждает транзакцию

• Пакет начала кадра – начинает новый кадр

Шина USB 3.0

2 дополнительные витые пары для данных + дополнительное заземление, дуплексная (!). Одна витая пара – для приема данных, а две дополнительные витые пары –для отправки высокосортных данных.

• Скорость 4,8 Гбит/с (в десять раз быстрее, чем USB 2.0)

• Разъёмы USB 3.0 содержат 9 контактов (вместо четырёх)

• Разъем USB 3.0 совместим с устройством USB 2.0, где доступны четыре передних контакта

Шина RS-232

RS-232 – стандарт односторонней передачи данных в синхронном или асинхронном форматах (заменен на USB из-за ограниченной скорости, больших требований к напряжению и большого размера разъёма). Стандарт предназначен для одного передающего устройства и одного приемного устройства с максимальной длинной кабеля 15м, максимальная скорость 20кбит/с

Формат данных состоит из 7-8 битов данных, начального бита, бита четности и стоп бита. Данные передаются в формате NRZ.

Шина SPI

SPI – синхронная последовательная шина, 4 провода:

• MOSI инициируется ведущим и принимается ведомым

• MISO инициируется ведомым и принимается ведущим

• SCLK генерируется мастером для синхронизации передачи данных

• SS генерируется мастером для выбора отельного ведомого

Полный дуплекс до 10 Мбит/с

Шина I²C

I²C – внутренняя последовательная шина для подключения микросхем на печатной плате

Требует только 2 линии (+земля), экономит место на плате. Данные отправляются последовательно по линии SDA, а такты отправляются по линии SCL.

CAN – шина

CAN – дифференциальная последовательная шина для автомобильных приложений и аэрокосмических систем. Состоит из витой пары сигнальных линий CAN H и CAN L, земли. Данные передаются в формате NRZ.