Đề tài Tổng quan giao diện máy tính - Thiết kế giao diện USB sử dụng chip FT245BM

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU. Chương I. TỔNG QUAN CÁC GIAO DIỆN TRONG MÁY TÍNH PC..... 4 1.1. Giao diện tốc độ thấp. ......................................................................... 4 1.1.1. Cổng giao tiếp song song...................................................................... 4 1.1.2. Cổng giao tiếp nối tiếp.......................................................................... 4 1.2.3. Giao tiếp theo chuẩn ISA...................................................................... 5 1.2.4. Giao tiếp theo chuẩn EISA ................................................................... 5 1.2. Giao diện tốc độ cao ............................................................................ 7 1.2.1. Giao diện PCI........................................................................................ 7 1.2.2. Giao diện AGP.................................................................................... 10 1.2.3. Giao diện USB .................................................................................... 11 1.3. Chuẩn giao diện Peripheral Component Interconnect - PCI....... 13 1.3.1. Mô tả chân tín hiệu trên Slot PCI ....................................................... 13 1.3.2. Các lệnh Bus. ...................................................................................... 18 1.3.3. Giao thức cơ bản của Bus PCI. ........................................................... 19 1.3.4. Định địa chỉ trên Bus PCI. .................................................................. 19 1.2.5. Tổ chức không gian cấu hình bus PCI. ............................................... 20 1.2.6. Các thao tác cơ bản trên bus PCI. ....................................................... 25 1.2.7. Sự kết thúc quá trình trao đổi dữ liệu. ................................................ 28 1.2.8. Đồ hình trạng thái bus PCI.................................................................. 34 Chương II. CHUẨN GIAO DIỆN USB.................................................. 36 2.1. Giao diện USB. .................................................................................. 36 2.1.1. Bộ kết nối USB ................................................................................... 37 2.1.2. Đặc tính điện của cổng USB............................................................... 38 2.1.3. Giao thức truyền USB......................................................................... 39 2.1.4. Cấu trúc gói USB. ............................................................................... 40 2.1.5. Các kiểu gói USB................................................................................ 41 2.1.6. Các kiểu truyền USB .......................................................................... 42 2.1.7. Điều khiển truyền dữ liệu ................................................................... 43 2.2. Hệ thống USB 2.0. ............................................................................. 45 4 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ GIAO DIỆN USB (PC) SỬ DỤNG CHIP FT245BM. ...................................................................................................... 46 3.1. Giới thiệu chung. ............................................................................... 46 3.2. Những ưu điểm nổi bật ..................................................................... 46 3.3. Sơ đồ khối .......................................................................................... 50 3.4. Sơ đồ chân tín hiệu............................................................................ 53 3.5. Gi¶n ®å thêi gian – Chu kú ®äc FIFO............................................. 58 3.6. Gi¶n ®å thêi gian – Chu kú ghi FIFO. ........................................... 58 3.7. Các mạch sử dụng chip FT245BM. ................................................ 59 3.7.1. Mạch tạo dao động.............................................................................. 59 3.7.2. CÊu h×nh với EEPROM....................................................................... 60 3.7.3. Cấp nguồn từ Bus USB....................................................................... 62 3.7.4. Kết cấu tự cấp nguồn USB.................................................................. 63 3.7.5. Mạch tạo nguồn cho Bus với mức lôgic 3.3v / nguồn nuôi................ 65 3.7.6. Mạch cấp nguồn (≤100mA) với nguồn điều khiển............................. 66 3.7.7. CÊu h×nh với bộ vi điều khiển (MCU) ................................................ 68 KẾT LUẬN. TÀI LIỆU THAM KHẢO. 5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC GIAO DIỆN TRONG MÁY TÍNH PC 1.1. Giao diện tốc độ thấp. 1.1.1. Cổng giao tiếp song song. Cổng song song là cổng thông dụng nhất cho các ứng dụng văn phòng. Nó có 4 đường tín hiệu điều khiển (tín hiệu ra), 5 đường tín hiệu trạng thái (tín hiệu ra) và 8 đường tín hiệu dữ liệu đều tương thích mức TTL, tương thích với 3 nhóm đường tín hiệu trên là 3 thanh ghi: thanh ghi điều khiển, thanh ghi trạng thái và thanh ghi dữ liệu. Địa chỉ cơ sở của cổng song song là 378H. Thanh ghi dữ liệu có địa chỉ 378H, thanh ghi trạng thái có địa chỉ 379H và thanh ghi điều khiển có địa chỉ 37AH. 1.1.2. Cổng giao tiếp nối tiếp. So với cổng song song thì cổng nối tiếp được dùng ít hơn. Trong hầu hết các trường hợp, bất kì thiết bị nào nối vào cổng nói tiếp cũng cần phải chuyển dữ liệu nối tiếp thành song song thì mới dùng được và có thể dùng UART để thực hiện việc này. Vì thế cần phải có nhiều thanh ghi điều khiển hơn kiểu truyền song song. Tuy nhiên, truyền nối tiếp có ưu điểm mà truyền song song không có như : • Cáp truyền nối tiếp dài hơn cáp truyền song song. Vì cổng nối tiếp truyền mức ‘1’ với điện áp từ –3V đến mức –25V và mức ‘0’ với điện áp từ 3V đến 25V trong khi cổng truyền song song truyền với mức TTL. • Cáp truyền không cần nhiều sợi như cáp truyền song song; • Khả năng chống nhiễu cao. 6 IRQs Audio Codec Modem Codec AC’97 Link IDE Firmware Hub PCI Bus ISA Slots INTR USB Ports ISA Bridge (Optional) 8259 Interrrupt Controller USB Controller Com 1 Com 2 Super IO I/O Controller Hub (ICH) PCI Slots Local Video Memory LPC DRAM Memory Controller Hub (MCH) Monitor A G P CPU Hình 1.1: Sơ đồ ghép nối trong máy tính 1.1.3. Giao tiếp theo chuẩn ISA. Chuẩn ISA là giao diện phổ biến nhất trong thế giới của máy vi tính. Chuẩn ISA nguyên bản truyền 8 bit dữ liệu và chay với tần số 4.77MHz (tương ứng với bộ xử lý 8 bit 8088). Năm 1984 thế hệ máy tính IBM AT ra đời dùng bộ vi xử lý 16 bit 80286 do đó bus ISA cũng được mở rộng thành bus 16 bit bàng cách ghép thêm một 7 rãnh phụ nằm thẳng hàng với 8 bit cũ. Trên bus ISA có tập hợp các đường địa chỉ, dữ liệu và điều khiển cho phép thiết kế Card giao tiếp 8/16 bit có địa chỉ 300H đến 31FH cắm trên rãnh này. Sau này mặc dù các bộ vi xử lý có tốc độ cao hơn, kênh dữ liệu lớn hơn nhưng chuẩn ISA còn tồn tại để tương thích với những thiết bị ngoại vi cũ nối với máy tính qua giao diện ISA. Ngày nay rãnh cắm ISA không còn phù hợp và hầu như không xuất hiện trên bảng mạch chủ của máy tính thế hệ mới. Và thiết bị ngoại vi nói chung thường sử dụng giao diện tốc độ cao USB hoặc PCI. 1.1.4. Giao tiếp theo chuẩn EISA. Chuẩn EISA là sự mở rộng của chuẩn ISA, hoàn toàn tương thích với chuẩn ISA (Card thiết kế theo chuẩn ISA chạy được trên rãnh cắm EISA). Chuẩn EISA có tính năng tiên tiến hơn như: - Độ rộng kênh dữ liệu 32 bit; - Card thiết kế theo chuẩn EISA có hiệu quả làm việc cao. - Tự đông cài đặt cấu hình cho Card tương tự như chuẩn Plug and Play. Tuy nhiên chuẩn EISA không phải là thông dụng vì thiết bị theo chuẩn này có giá thành đắt hơn và đặc biệt tốc độ (8MHz) của chuẩn EISA chậm hơn nhiều so với các chuẩn giao tiếp bus cục bộ sau này được nhiều người ưu chuộng. Ngoài ra còn một số chuẩn giao diện nữa như: MCA (Micro Channel Architecture bus) do IBM phát triển với sự bố trí chân và các đặc tính tín hiệu hoàn toàn khác với ISA, EISA nhừm làm việc với các bộ xử lý 80386. Một số đặc tính có thể kể đến là: các đường dữ liệu và địa chỉ 32 bit có thể chuyển dữ liệu với card mở rộng dạng 8/16/32 bit. Các chuyển mạch DIP và chân cắm được thay thế bằng cách sử dụng các thanh ghi điều khiển bằng phần mềm để thiết lập cấu hình cho các card mở rộng. trên lý thuyết MCA có thể làm việc 8 với tần số 30MHz, các chân tín hiệu được xen với các chân đất và chân nguồn làm giảm nhiễu xuyên âm, tổn hao, có mạch phân phối bus cho phép tổ chức thiết bị chủ đa bus…tuy vậy sự độc quyền của IBM trong việc sử dụng MCA đối với các hãng sản xuất thiết bị chuẩn này không được sử dụng rộng rãi. Song song với sự ra đời các bộ vi xử lý 32 bit hoạt động với tốc độ cao, các phần mềm đồ họa ra đời đã dẫn tới việc CPU phải xử lý và truyền đi một lượng dữ liệu đồ họa lớn qua video card đến màn hình. Điều này làm cho các bus nêu trên trở thành nguyên nhân gây cản trở, làm chậm tốc độ hệ thống vì chúng làm việc với tốc độ thấp, băng thông hẹp. Những yêu cầu thực tế đó đã thúc đẩy các phát triển chuyển sang sử dụng bus cục bộ. Mục đích xây dựng bus cục bộ là nhằm truy cập bus hệ thống với tốc độ xấp xỉ tốc độ bộ vi xử lý, cải thiện băng thông, nâng cao độ tin cậy và giảm giá thành nhờ chuẩn hóa. 1.2. Giao diện tốc độ cao. 1.2.1. Giao diện PCI. Bus cục bộ PCI ra đời với mục đích đầu tiên là thiết lập một chuẩn giao tiếp công trong nghiệp có hiệu suất cao, mức tiêu thụ năng lượng thấp. Ngày nay, chuẩn PCI tạo ra bộ mặt mới trong lĩnh vực nối ghép máy tính với thiết bị ngoại vi và quan trọng là nó là chuẩn giao diện mới đáp ứng những nhu cầu của những hệ thống đa nền tảng và đa cấu trúc. Hình 1.2 cho ta các kích thước có thể của bus cục bộ PCI. Thành phần PCI và các Card giao tiếp được xử lý hoàn toàn độc lập với nhau, cho phép một quá trình trao đổi dữ liệu cố định và có thể sử dụng với cấu trúc đa xử lý. Xử lý độc lập cho phép bú cục bộ PCI tối ưu hóa với các chức năng vào/ra, các hệ thống nhớ, các thiết bị ngoại vi có hiệu suất cao như hình ảnh động, LAN, SCSI, FDDI, ổ cứng…nâng cao hình ảnh và hiển thị đa phương tiện (đồ họa 3 chiều). Phần đuôi mở rộng của bus địa chỉ và dữ liệu 9 32 bit được làm tăng gấp đôi độ rộng băng thông có tác động hồi tiếp và chuyển tiếp phù hợp với những thiết bị ngoại vi theo chuẩn PCI. Chuẩn của bus cục bộ PCI có tác dụng bảo vệ đối với những ứng dụng của PCI cơ bản. Thanh ghi cấu hình được dụng riêng cho các thành phần điều khiển PCI và card bổ sung. Một hệ thống phần mềm cấu hình tự động rất dễ cho sử dụng bởi việc định cấu hình tự động được thực hiện tại thời điểm khởi động hệ thống. Các dặc tính của bus cục bộ PCI là: • Tốc độ 33MHz (phiên bản đầu). • Đường dữ liệu 32 bit và 64 bit mở rộng. • Hỗ trợ truyền dữ liệu dạng khối. • Hỗ trợ việc làm chủ bus, cho phép thực hiện đa xử lý mà bất kì bộ xử lý nào cũng có thể trở thành thiết bị chủ và nắm quyền điều khiển bus. • Hỗ trợ card mở rộng 3.3V hoặc 5V, cho phép chuyển dễ dàng từ hệ thống 5V sang 3.3V bằng việc sử dụng các lẫy điện áp. • Có tính tương thích với các chuẩn cũ ISA, EISA…do sử dụng cầu nối bus (PCI-to-PCI Bridge). Bus PCI độc lập với bộ vi xử lý, nó là bus tầng dưới, không trực tiếp nối vào bus hệ thống, giữa bộ vi xử lý và bus PCI là thiết bị điều khiển PCI- một vi mạch có nhiệm vụ đồng bộ các tín hiệu hệ thống và tín hiệu bus, làm cho chúng hiểu nhau. • Cung cấp khả năng tạo cấu hình tự động, người dùng không cần đặt lại chuyển mạch DIP hoặc chân cắm và lựa chọn ngắt, phần mềm đặt cấu hình sẽ tự động chọn các địa chỉ và các ngắt chưa sử dụng để tránh xung đột. • Trên slot PCI giữa hai chân tín hiệu thường có chân Vcc hoặc Gnd để ghim nhiễu xuyên âm và bức xạ vô tuyến; • Thực hiện các ngắt mức khởi phát và hỗ trợ việc chia sẻ ngắt. 10 Bridge Memory Controller Cache Dram Audio PCI local bus #0 Graphics Other I/O Functions SCSI PCI local bus #1 LAN PCI-to-PCI Bridge Motion Video Processor Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống PCI Ở sơ đồ trên ta thấy bộ vi xử lý, cache, bộ nhớ được nối tới bus PCI qua một cầu PCI, nó cho phép bộ vi xử lý truy cập trực tiếp tới các thiết bị truyền theo chuẩn PCI khác như bộ nhớ, không gian địa chỉ I/O. Đồng thời cầu PCI tạo ra đường truyền băng thông rộng và có nhiều tính năng khác nhau. Bus PCI cho phép ghép thêm 4 card trên các Slot PCI để kết nối tới thiết bị ngoại vi. Phương thức trao đổi dữ liệu chủ yếu của bus PCI là truyền khối (Bus PCI cho phép truyền khối đối với cả bộ nhớ và không gian địa chỉ cổng vào ra). Với phương thức này thì trên các đường tín hiệu ADxx bắt đầu là thông tin địa chỉ tiếp theo là một hoặc nhiều các nhịp dữ liệu (32/64 bit) trong khối đó. 11 1.2.2. Giao diện AGP. Cổng tăng tốc độ đồ họa là cổng tốc độ cao cho phép hiển thị đồ họa 3 chiều. Nó được dành riêng cho card kết nối thiết bị hiển thị. Giao diện AGP dưa trên tập hợp các thao tác mở rộng và cải tiến của bus PCI. Nói chung biến đổi 3 chiều đòi hỏi rất lớn về dung lượng và dải thông bộ nhớ, khi phần mềm và phần cứng trở nên càng phức tạp thì yêu cầu này càng tăng nhanh, hai đòi hỏi này sẽ làm tăng chi phí sản xuất. Việc khống chế giá thành mà vẫn cải thiện được tính năng là mục đích ra đời của AGP. Bằng cách cải tiến độ lớn băng thông giữa bộ tăng tốc đồ họa và bộ nhớ hệ thống một số cấu trúc dữ liệu biến đổi 3 chiều có thể chuyển vào bộ nhớ trung tâm một cách hữu hiệu và giảm áp lực về chi phí bộ nhớ đồ họa cục bộ. Dữ liệu đồ họa (Texture) là cấu trúc đầu tiên được dịch chuyển vào bộ nhớ hệ thống vì 4 lý do sau: + Texture chỉ để đọc và vì vậy nó không cần có việc định thứ tự truy cập đặc biệt và các vấn đề kèm theo. + Dịch chuyển Texture cân bằng tải băng thông giữa bộ nhớ hệ thống và bộ nhớ đồ họa cục bộ, vì bộ nhớ Cache có đòi hỏi về băng thông bộ nhớ thấp hơn nhiều so với bộ biến đổi 3 chiều. + Dung lượng Texture phụ thuộc vào chất lượng ứng dụng chứ không phụ thuộc vào độ phân giải hiển thị và bởi vậy nó là đối tượng chịu áp lực lớn nhất khi tăng và cải thiện chất lượng. + Dữ liệu đồ họa không tồn tại lâu dài, nó thường trú trong bộ nhớ chỉ khi chạy ứng dụng. Bởi vậy phần bộ nhớ để lưu nó được trả về heap bộ nhớ trống khi kết thúc ứng dụng. Việc giảm chi phí bằng cách chuyển dữ liệu đồ họa vào bộ nhớ trung tâm là mục đích chính của AGP, nó được thiết kế để cho tạo quá trình chuyển đổi trơn cho những nhà cung cấp đồ họa dựa trên chuẩn PCI để phát triển các thiết bị có chức năng cao hơn trong tương lai. 12 Chipset Gfx Accel LFB I/O I/O AGP PCI I/O Sys Mem Processor Hình 1.3: Sơ đồ khối mối quan hệ AGP và PCI AGP không thay thế và không hủy bỏ chuẩn PCI trong hệ thống. Cổng tốc độ cao AGP độc lập với bus PCI về mặt vật lý, lôgic và điện. Nó là điểm kết nối bổ xung trong hệ thống như hình trên. Nó dành riêng cho việc sử dụng các thiết bị hiển thị, tất cả các thiết bị vào/ra khác sẽ vẫn ở trên bus PCI. Khe cắm dành cho AGP sử dụng đầu nối mới không tương thích với đầu nối PCI, bảng mạch PCI và AGP không thể hoán đổi cho nhau được. Đặc tính AGP được phát triển bởi hãng Intel, độc lập với PCI của Special Interst Group. Giao diện AGP sử dụng PCI 66Mhz như là thao tác cơ bản với mục đích tối ưu hóa các ứng dụng đồ họa 3 chiều tốc độ cao bằng cách: - Can thiệp sâu vào không gian nhớ. - Phân kênh địa chỉ và dữ liệu trên bus vì thế bus đạt hiệu suất gần 100%. - Với điện áp cung cấp 3.3V cho phép truyền dữ liệu một hoặc hai lần trong một nhịp xung clock 66MHz. Vì thế tốc độ truyền có thể đến 1GBps. 1.2.3. Giao diện USB. USB là một chuẩn truyền dữ liệu cho thiết bị ngoại vi được hãng Intel và Microsoft phát triển. Đây là sự thay thế cho việc có quá nhiều đầu nối và cổng ở mặt sau máy tính, thay vì có quá nhiều đầu nối vào máy tính cho bàn phím, chuột, máy in, modem, thiết bị multimedia, máy ảnh số... Chuẩn USB cho 13 phép tất cả nối vào cổng duy nhất trên bảng mạch máy chủ của máy tính. Chuẩn USB loại trừ nhiều rắc rối trên khi cài đặt thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như phải tháo máy để cài đặt card nối ghép, thay đổi các chuyển mạch, khai báo ngắt... Keyboard (Hub) Monitor (Hub) USB Host Controller (Root Hub) Video Frame Buffer Main Memory 16-Bit PC Card CardBus PC Card Mouse Speaker Disk Tape CD ROM CPU Local Bus CPU Memory Bus Host/ PCI Cache/ Bridge Graphics Adapter Card Bus Bridge LAN Adapter SCSI Host Bus Adapter PCI Bus Hình 1.4: Sơ đồ khối mối quan hệ USB và PCI Ở trên cho thấy hình ảnh của hệ thống USB được thực hiện trên nền tảng cơ sở của bus PCI-khối điều khiển chủ USB nằm trên bus PCI. USB được phát triển theo yêu cầu chính sau: • Dễ sử dụng: nối thiết bị mà không cần mở hộp PC, USB sẽ nối ngay thiết bị đó và bổ sung thông tin về thiết bị đó như kiểu loại, số hiệu, nhà sản xuất... Nếu như rút một thiết bị USB ra khỏi PC thì chíp điều khiển 14 giao diện USB sẽ nhận ra và thông báo cho phần mềm điều khiển thiết bị, do đó PC biết thiết bị đó đã được rút ra. • Mở rộng cổng giao tiếp: các thiết bị theo chuẩn USB thường có mức tiêu thụ năng lượng thấp, vì thế nên có nhiều thiết bị tốc độ cao cùng được kết nối qua bus này. Trên bảng mạch chủ máy vi tính chỉ có duy nhất một khối điều khiển cho giao diện này, cho phép đồng thời quản lý 127 thiết bị ngoại vi bằng cách chia sẻ băng thông cho tất cả các thiết bị trên kênh trong cùng một thời điểm. Nó có 4 đường tín hiệu: 2 đường cho nguồn và 2 đường cho truyền dữ liệu. Mỗi khi cắm một thiết bị vào giao diện USB, nó sẽ phát hiện và gán cho một địa chỉ tương thích với chíp điều khiển giao diện USB (trên PC). Đặc tính của USB xác định kết nối và truyền tin giữa hai thành phần cơ bản: khối điều khiển USB và thiết bị USB. Chỉ có một khối điều khiển USB, nó thực hiện các kết hợp phần cứng, chương trình cơ sở hoặc phần mềm. Có hai kiểu thiết bị USB: USB Hub và USB Functions. USB Hub cho phép mở rộng số jack nối USB vào hệ thống còn USB Functions cho phép nối hệ thống với các thiết bị ngoại vi như: bàn phím, chuột… Chuẩn USB hiện có hai phiên bản là USB 1.1 và USB 2.0. Phiên bản USB 1.1 có 2 tốc độ: 12MHz và 1.5MHz, tốc độ 1.5 MHz chậm hơn và ít ảnh hưởng của nhiễu nên giảm chi phí sản xuất. Phiên bản USB 2.0 ngày nay có thể đạt tới tốc độ 480 Mb/s. Qua việc tìm hiểu về giao diện tốc độ cao ta nhận thấy giao diện PCI là cơ sở để xây dựng các chuẩn giao tiếp khác. Vì vậy trước khi tìm hiểu chuẩn giao diện USB ta sẽ nghiên cứu những vấn đề cơ bản nhất của giao diện PCI . 1.3. Chuẩn giao diện Peripheral Component Interconnect - PCI. 1.3.1. Mô tả chân tín hiệu trên Slot PCI. 15 Các chân tín hiệu được phân chia theo nhóm và tổ chức như sau : Arbitration (maslers only) PCI Compliant Device AD[31::0] C/BE[3::0]# Address and Data PAR FRAME# TRDY# IRDY# STOP# DEVSEL# IDSEL# Interface Control PERR# SERR# Error Reporting REQ# GNT# C RSystem AD[63::32] C/BE[7::4]# PAR64 REQ64 ACK64 64-Bit Extension LOCK# SMBCL SMBDAT PME# CLKRUN# Interface Control INTA# INTC# INTB# INTD# Interrupts JTAG + Nhóm các chân hệ - CLK: Là chân bus PCI. Tất cả tín hiệ CKLRUN# đều kích p khác đều được xác địn - RST#: Là chân trạng thái ban đầu. + Nhóm các chân đị - AD31-AD0: Là ứng trên cùng một ch vào/ra thì đó là byte LK TDI TDO TCK ST# TMS TRST# (IEEE 1149.1) Hình 1.5: Tổ chức chân Bus PCI thống: vào, cung cấp đồng hồ thời gian cho mọi thực thi trên u, trừ RST#, INTA#, INTB#, INTC#, INTD#, PME# và hát ở sườn dương xung CLK và các thông số thời gian h thông qua tín hiệu này. vào, để đặt lại các thanh ghi và các tín hiệu khác về a