1. CH 4. I/O INTERFACE BUS OVERVIEW
GIỚI THIỆU BUS CHUẨN CHO GHÉP NỐI, MỞ RỘNG:
– ISA/ PC-104 – AT bus
– USB (Universal Serial Bus)
– Philips I2C
– PCI (Peripheral Component Interconnect)
– SCSI (Small Computer Systems Interface)
– GPIB (General Purpose Interface Bus)
– Field buses: Siemens PROFIBUS, ASi bus, Multi Point
– IEEE 1394
– Ethernet IEEE 802.x: IP RTU and IP devices
– ...
P&I
Ch4 - Bus
1
4.0. KHÁI NIỆM VỀ BUS:
• Là: PCB (Printed Circuit Board), Cable (Copper/
Optic), Slot, Connector...
• Nối nhiều thiết bị slave [master], dùng chung: trong 1
thời điểm chỉ có 1 talker – 1 hoặc nhiều listener
• Bus song song (n bit như ISA, PCI, GPIB, SCSI…) hoặc
nối tiếp (I2C, USB, SSA, Profi, ASi, IEEE 1394...)
• IO Buses vs Mem/CPU/Local Buses
• Thành phần (physical lines/ time sharing):
–
–
–
–
P&I
Address
Data
Control/ Status/Handshake/data check
[Power supply]
Ch4 - Bus
2
1

2. Phân loại bus
• Bus size: data 8, 16, 32 bit ~ 16/24/32 Address bus, các bus nối
tiếp khả năng quản lý được bao nhiêu thiết bị: USB ~ 127,
IEEE1394~64k…)
• Parallel vs Serial
• Tốc độ vận chuyển MB/s – tốc độ max, chú ý chọn năng lực bus
gấp 10 lần tốc độ trung bình
• Cấu trúc:
– Tách biệt: Address, Data, Control – có thể có multi plexed mode (x86)
– Dùng cho Burst Mode: Single address first, data packet after.
– Serial Bus: Start/Stop, Address, Data, Read/Write
• Đối tượng ghép nối:
– Mem bus (local ~, sys ~...),
– IO Bus: PCI (!), ISA, EISA, MC, USB, FireWire...
– Field bus Siemens Profi bus
P&I
Ch4 - Bus
3
4.1. Industry Small Architecture (ISA) bus:
• ISA/ AT bus, 1984, IBM, PC-104 bus, Available in
Pentium, PowerPC Platforms
• Để ghép thêm các card/ thiết bị I/O chuẩn với Mother
Board, 1..12 Slots, iPCs, hiện tại các máy có thể không
dùng slot
• 8/ 16 bit for data transfers
• 4,77 => 8,33 MHz/11.1MHz => 2.75 MWps/5.5 MWps
max, DMA 16.
• Only 1 BusMaster, CPU hoặc DMAC, w AEN
• No data integrity, không kiểm tra parity, IO Check
• Dùng để ghép với các thiết bị chậm, kiểu ký tự: ‘character
typed devices’ : keyboard, mouse...
• Refer ‘AT Technical Reference’ or TechHelp for detail
P&I
Ch4 - Bus
4
2

3. Hình 4.1. AT/ ISA/ PC 104 bus
http://www.techfest.com/hardware/bus/isa.htm
P&I
Ch4 - Bus
5
Chu kỳ R/W của ISA
• Tham khảo hình cuối Ch1
• Là IO bus có đủ các tín hiệu điều khiển
• Tham khảo: techfes.com để nắm được ý
nghĩa của các tín hiệu ISA bus
• BT: vẽ các chu kỳ bus của ISA;
–
–
–
–
P&I
IORead bus cycle
IOWrite bus cycle
IOR-MEMW DMA bus cycle
MEMR-IOW DMA bus cycle
Ch4 - Bus
6
3

4. 4.2. Universal serial bus - USB:
P&I
Ch4 - Bus
7
4.2. Universal Serial Bus Rev. 4.2.1: Topology
• Rev.1.1:
23/09/1998
• Chia thành
nhiều Tiers
• Các Tiers nối
các thiết bị:
Hub hoặc
chức năng
• Mỗi Tier có
Hub(s)
P&I
Ch4 - Bus
8
4

5. 4.3. USB: specifications
Chỉ có 1 USB host (USB
Controller) trong hệ
Devices, có 2 loại:
Hub, mở rộng thêm thiết bị nối vào USB
Các thiết bị chức năng như ISDN, JoyStick, KB,
Printer, Digital Camera, Mass Storage...
Thiết bị chuẩn interface USB theo:
USB Protocol
Chuẩn Hđ của USB: config và reset
Communication Standard
USB Controller/ Host polls bus & initiates all data
transfer
P&I
Ch4 - Bus
9
Ưu điểm:
Tín hiệu vi sai phát/ thu, bọc kim, chống nhiễu
CRC Protection đ/v data & control fields
Tự phát hiện attach/ detach, xác định cấu hình các
thiết bị tự động ở mức hệ thống
TimeOut đ/v trường hợp mất gói tin/ gói tin lỗi
P&I
Ch4 - Bus
10
5

6. 4.3. USB: Physical interface
1.5 Mbps – Low speed mode và 12Mbps (Revision 1.1)
Nguồn cấp +5V, vài metre
Power managment
Revision 2.0: 480Mb/s
P&I
Ch4 - Bus
11
P&I
Ch4 - Bus
12
6

7. P&I
Ch4 - Bus
13
P&I
Ch4 - Bus
14
7

8. P&I
Ch4 - Bus
15
P&I
Ch4 - Bus
16
8

9. P&I
Ch4 - Bus
17
P&I
Ch4 - Bus
18
9

10. Các lớp thiết bị USB
• Là các đặc tả để quy định số lượng và chủng loại thiết
bị để host nhận dạng thiết bị và forrmat của data.
– Audio devices: nhận/gửi sound (decoded voice, music…
isochronal hay block (đối với MIDI)
– Chip Card Interface Device - CCID: là các loại thẻ dùng
cho việc gọi điện thoại, thẻ ra vào, trả cước cầu đường, bảo
hiểm y tế, giải mã cho các bộ thu truyền hình vệ tinh, tín
dụng có cập nhật thông tin.
– Communication devices: thiết bị thoại (analog
phone/modem, ISDN adaptor, digi phone) và các thiết bị
mạng tốc độ trung bình (ADSL modem, 10/100baseEthernet adapter và hub)
P&I
Ch4 - Bus
19
– Lớp thiết bị bảo mật: định nghĩa cách thức truy cập tới các
file, âm nhạc, hình ảnh hoặc các dữ liệu khác được truyền trên
bus với password
– Lớp thiết bị cập nhật firmware từ Host: Lớp thiết bị này cho
phép khi sử dụng chức năng nạp bootloader cho vi điều khiển.
– Human Interface Devices - HID: Keyboard, mouse,
joystick…Thường driver có sẵn trong các OS.
– Infrared Data Association Bridge: quy định những yêu cầu
về phần cứng và các giao thức cho phép việc truyền tải dữ
liệu ở khoảng cách ngắn bằng hồng ngoại.
– Secondary storage devices (In/Out): FDC/HDCs, CD, DVD
và flashmem, camera cũng có thể sử dụng lớp lưu trữ thứ cấp
cho phép việc truy cập các file hình ảnh trong bộ nhớ của
camera… với các lệnh xóa, copy, move, forrmat…
P&I
Ch4 - Bus
20
10

11. – Lớp thiết bị in ấn: quy định forrmat định chữ
hay hình ảnh trên media.
– Lớp thiết bị lưu giữ ảnh tĩnh (In): camera,
scanner (trùng vài điểm với bộ nhớ ngoài)
– Test and Instrumentation devices: quy định
gioa thức ghép nối với thế giới thực qua ADC,
DAC, sensors, transducers.
– Motion video: thiết bị ghi hình số, webcam, và
một số thiết bị có chức năng gửi, nhận hay căn
chỉnh ảnh động. Also for static picture files
– Non standardized devices: như TB điều khiển
động cơ, rơ le, hay các cơ cấu chấp hành
khác… hay cầu USB (PC to PC)
P&I
Ch4 - Bus
21
4.4. Philips I2C bus
version 2.1. jan. 2000
• Philips, 1992 Ver. 1.0;... 1998 Ver 2.0, 2000: Ver 2.1, dùng cho
các hệ thống nhúng (embeded systems) như mobil phone, TV,
pay phone, ATM...
• Không cần dùng bus interface chip(s), built-in
• Integrated addressing & data-transfer, cho phép dùng phần mềm
để định cấu hình
• Đừn giản ghép nối. Nhiều uC hỗ trợ I2C
• Đơn giản tìm lỗi, khoanh vùng lỗi nhanh
• Giảm thiểu kích thước: 2-wire serial, không cần các mạch Addr
Decoder và ‘glue logic’, dùng phần mềm
• Truyền đồng bộ, 100 kb/s Standard-mode, 400 kb/s Fast-mode,
3.4Mb/s HiSpeed-mode
P&I
Ch4 - Bus
22
11

12. P&I
Ch4 - Bus
23
Có thể nối nhiều Masters, trong 1 t/đ chỉ 01 BM’s Active
P&I
Ch4 - Bus
24
12

13. H. 410a. Synchronous Serial Data & Clock
P&I
Ch4 - Bus
25
P&I
Ch4 - Bus
26
13

14. Start(Rep Start, S) SCL=1, SDA= 
Stop (P):
SCL=1, SDA= 
P&I
Ch4 - Bus
27
P&I
Ch4 - Bus
28
14

15. Multi byte R/W
:Addr auto Inc/ Dec;
Master/ Slave
:Send A[ck] (=0) hoặc /A (NACK) (=1)
tùy thuộc bit tiếp theo là data hay Stop
P&I
Ch4 - Bus
29
Ví dụ dùng I2C bus:
• uC dùng ATmega8, RTC: Dallas RTC 1307, 1308: 64 byte
RAM & Real Time Clock,
• Philips PCF 8593, Low Power Clock/ Calendar
• Atmel 93C46/24C96... EEROM
P&I
Ch4 - Bus
30
15

16. Ví dụ WRITE I2C bus DS1307
• -DS1307 – Real Time Clock có địa chỉ đọc 0xD0,
địa chỉ ghi 0xD1 quá trình đọc ghi diễn ra theo
lược đồ sau :
Void Write_DS1307(char* buff , byte len) // buff l bộ đệm
truyền, len l số byte cần ghi
{ char i ;
I2C_Write(0xD0);
for(i=0;i<len;i++) I2C_Write( buff[i] ); }
P&I
Ch4 - Bus
31
Ví dụ READ I2C bus DS1307
Void Read_DS1307(char* buff , byte len) // buff là bộ đệm
nhận, len là số byte cần đọc
{
char i ;
I2C_Write(0xD1);
for(i=0;i<len;i++) buff[i] = I2C_Read();
}
P&I
Ch4 - Bus
32
16

17. AT24C04 - 4Kbits Serial EEPROM Có địa chỉ đọc 0xA0, địa chỉ ghi 0xA1
Void Write_24C04(usigned int address, char* buff , byte len)
//address là địa chỉ cần ghi, buff là bộ đệm truyền, len là số byte
cần ghi
{ char i ;
I2C_Write(0xD0);
I2C_Write(address >> 8) ; // 8bit address high
I2C_Write(address & 0xff ) ; // 8bit address low
for(i=0;i<len;i++) I2C_Write( buff[i]);
}
P&I
Ch4 - Bus
33
Char Read_24C04(usigned int address) // đọc từ EEROM
address là địa chỉ cần đọc
{
char i ;
I2C_Write(0xD0); // Write address first
I2C_Write(address >> 8) ; // 8bit address high
I2C_Write(address & 0xff ) ; // 8bit address low
I2C_Write(0xD1); // Read out data
Return ( I2C_Read() );
}
P&I
Ch4 - Bus
34
17

18. 4.5. PCI - Peripheral Component Interconnect
5/1993, Intel Ver. 2.0, Open standard,
- Local bus, trung gian giữa Local và các bus chuẩn
khác
(ISA, MC, EISA) thông qua PIC Bridge/Controller.
- Có kiểm tra parity cho Addr và Data
- Auto configuration of all PCI devices, share the
same
IRQ. Disabling IRQ => cấm toàn bộ PCI devices.
- No DMA, device on PCI bus là bus master (Tốt cho việc
dùng MultiTasking OS).
- Burst mode: 32 bit @33MHz --> 96..132MBps, tuỳ
thuộc số
byte (từ 32 byte đến 4KB). Option 64bit @33MHz -->
264MBps, 64bit – 66MHz.
- Most Platforms use:Intel, DEC Alpha, PowerPC, Spark
- Modern OS: ‘Block Typed Devices’: tần suất vận chuyển
cao, nhanh, data block
P&I
Ch4 - Bus
35
4.6. Small computer systems interface - SCSI
• SCSI (SCSI-1): 1990; SCSI-2: 1993 to now;
UltraSCSI:...
• Dùng cho Disk controller có bộ lệnh của nó,
• Thường có 1 Adaptor, không nằm trên motherboard
• Support any SCSI device: Disk, CD-ROM, tape,
scanner
5 to 40 MB/s
• 7 devices max, upto 15 with SCSI-2 FastWide and
UltraSCSI
P&I
Ch4 - Bus
36
18

19. P&I
Ch4 - Bus
37
4.6. Small computer systems interface - SCSI
Tín hiệu: Có loại cable đơn và vi sai (chống nhiễu tốt hơn), các
controller support 2 loại tín hiệu. Không nối 2 kiểu trên cùng
bus. Most: SingleEnd, RS6000 differential.
SCSI Common Command Set: được gửi từ device driver, được
dịch bởi th/bị => Adaptor không phải thay đổi khi gắn thêm
thiết bị
SCSI subsystem gồm: Host adaptor (để interface giữa host
system và subsystem), SCSI controller, bus, thiết bị.
SCSI Controller & devices: 8.. 16 devices, 1 as Controller. Thứ tự
ưu tiên của các thiết bị, cao nhất là 7 (Controller)
7– 6 – 5 – 4 – 3 – 2 – 1 – 0 –15 –14 – 13 – 12 – 11 – 10 – 9 – 8
8 data bit => 1 parity bit. K/tra Data: ECC, địa chỉ CRC @ mỗi
sector
P&I
Ch4 - Bus
38
19

20. 4.7. Siemens Process & Field bus – Profi bus
Giới thiệu: Môi trg công nghiệp,
chuẩn EN 50170-1-2
Kết nối những thiết bị vào ra
phân tán, thông minh (PLCs,
Motor drivers, ), 1 trong những
layers của mạng CN: SINEC-L2
Bao gồm các giao thức:
PROFIBUS DP (Distributed I/O):trao đổi sl với các
slaves qui mô nhỏ, định kỳ, tốc độ cao
Profibus PA: Process Automation: IEC 61158-2: môi
trường khắc nghiệt. Số liệu và power chung line
(PLC), 31.25 kbps
P&I
Ch4 - Bus
39
PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification):
- Kết nối PC với các thiết bị tự động của Siemens:
S7/M7/C7 Families kiểu cell
- Số liệu có cấu trúc, không phụ thuộc vào đường
truyền.
- PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link): tương thích
với các mạng con
- Spec.:
- Token bus: cho nhiều masters (active nodes)
Master - Slaves
- >1km (RS-485) và 9.6km (Optical Fiber)
- Mã hóa Manchester II độ tin cậy và chống
nhiễu tốt
P&I
Ch4 - Bus
40
20

21. Hình 4.15. Mạng PROFIBUS
P&I
Ch4 - Bus
41
4.8. General Purpose Interface Bus - GPIB
As known IEEE 488; HPIB (Hewlette-Parkard Interface
Bus), IEC 625 bus
Được thiết kế để kết nối mạng máy tính với các thiết bị
ngoại vi, đo lường - kiểm nghiệm, lab... kiểu Programmable Instrumentation
14 devices có thể nối vào GPIB, ...1MB/s, couple meters
24 pin connector: 16 lines: 8 data (DIO1..8), 1 command
ATN; 3 handshake (DAV, NRFD, NDAC), 5
management (để điều khiển việc dùng bus), remainders:
Twisted/ Logic Gnd, Shield
Computer as Controller; các thiết bị khác là Talkers/
Listeners. Trg 1 t/đ: 1 device - Talker, Others - Listeners
P&I
Ch4 - Bus
42
Để nối mạng:GPIB Card,cable,connector(Hình 4-16/17/18)
21

22. H×nh 4.16. Mét sè PC's GPIB interface cards
P&I
Ch4 - Bus
43
H×nh 4.17. GPIB connector & signals
P&I
Ch4 - Bus
44
22

23. H×nh 4.18. IEEE-488 Instrumentation & connector
P&I
Ch4 - Bus
45
4.9. IEEE 1394, Fire-wire
IEEE 1394 serial bus, 1997, by Apple & TI, thay thế SCSI
Upto 63 nodes (devices) connect to a PC, hot plugible
High speed: 60 to 400 Mb/s (7.5 to 50 MB/s)
Cable: 6 wire (2- power carier lines 8..40Vdc/ 1.5A), 15'.
Daisy chain extending to over 200'
P1394 - PCI bus <=> Audio, Video devices, CD, disk,
printer...
Tree topology: 63...64k nodes (bridge across buses)
Addressing single node, broadcasting all nodes, config time
< 400 us
More than one PC can be connected to P1394 bus
P&I
Ch4 - Bus
46
23

24. Hình 4.19. Sơ đồ ghép nối các ngoại vi qua IEEE 1394 bus
P&I
Ch4 - Bus
47
4.10. IP RTUs
• Ethernet: là kênh dùng để kết nối mạng
LAN... được mở rộng ghép nối các thiết bị
ngoại vi kiểu IP:
– IP Camera
– IP RTU (hệ thiết bị nhúng cho đo lường và điều
khiển xa)
• Ghép nối TBNV:
– Xem như 1 kiểu ghép nối TBNV
– Embedded Ethernet/Webbase
P&I
Ch4 - Bus
48
24

25. 4.10. Ethernet IEEE 802.3
• Sơ lược về Ethernet
– 1970 Xerox Ethernet của Xerox PARC do
Robert Metcalfe và David Boggs xây dựng.
– Chuẩn Ethernet chủ yếu là các quy định và giao
thức chuẩn hóa trên 2 tầng datalink và physical.
– Kiến trúc cáp đồng trục dựa trên giao thức
truyền đa điểm chống xung đột CSMA/CD với
tốc độ 3Mbps khởi đầu của Ethernet
– Cáp 2 dây xoắn, song công tốc độ lên đến Gbps
các mạng Ethernet.
P&I
Ch4 - Bus
49
P&I
Ch4 - Bus
50
25

26. Cấu trúc Ethernet Port
P&I
Ch4 - Bus
51
• 5 major blocks:
– The PHY transceiver module that en/decodes the analog
data that is present on the twisted-pair interface and sends or
receives it over the network.
– The MAC module: that implements IEEE 802.3 compliant
MAC logic and provides Media Independent Interface
Management (MIIM) to control the PHY.
– RAM buffer for storing packets that have been received and
packets that are to be transmitted.
– An arbiter to control access to the RAM buffer when
requests are made from the central system, DMA, transmit
and receive blocks
– The register interface that functions as an interpreter of
commands and internal status signals between the module
and the microcontroller’s SFRs.
P&I
Ch4 - Bus
52
26

27. P&I
Ch4 - Bus
53
Physical interface and ext. connections
• Signals:
– TPIN- và TPIN+: cặp tín hiệu VÀO vi sai
– TPOut- và TPOut+: cặp tín hiệu RA vi sai
• Tự cấp nguồn cho PHY module
• LEDs: LED A và LED B ứng với phát/thu với thời
gian 40/70/140ms (short/med/long)
• Oscillator and Timer: đảm bảo nhịp cho port
• Magnetics, termination and ext.:
– R (2.26k) chỉnh dòng BIAS, định biên độ áp ra
– 02 biến áp xung, tỷ lệ 1:1, có điểm giữa để tạo và nhận
tín hiệu vi sai từ cable
P&I
Ch4 - Bus
54
27

28. Ethernet Buffer and Register space
• SRAM buffer chưa gói tin sẽ được nhận về hay
gửi đi, địa chỉ buffer thưởng được chỉ bởi
pointer và theo kiểu circular FIFO buffer
• SFRs: các thanh ghi 8 bit để định các chế độ
hoạt động
• PHY Registers để chưa các chế độ điều khiển và
trạng thái
P&I
Ch4 - Bus
55
Ethernet Interrupt
• Control Interrupt group:
–
–
–
–
–
Receive/Transmit Error Interrupt
Transmit Interrupt
Link change Interrupt: thay đổi trạng thái
DMA interrupt
Receive packet pending
• ETHERNET INTERRUPTS AND WAKEON-LAN
P&I
Ch4 - Bus
56
28

29. P&I
Ch4 - Bus
57
Chuẩn Ethernet 10/100Base-T 802.3i
• Tầng vật lý (PHY)
– 1990, IEEE: Ethernet 10/100Base-T 802.3i:
• Tốc độ 10/100/1k Mbps, trên băng tần gốc (Baseband )
• Cáp xoắn đôi trần Unshieled Twisted Pairs,
• Đa số 10Base-T lập cấu hình dạng hình sao, nhưng bên
trong vẫn là cấu trúc dạng bus,
• Hub trong mạng 10Base-T được sử dụng multiport
repeater. Mỗi máy tính được đặt ở điểm cuối của đoạn dây
nối với hub.
• 100m, dùng hub/switch/router để nối thêm chiều dài này.
• Về lý thuyết một mạng cục bộ 10Base-T có thể phục vụ
1024 máy tính
P&I
Ch4 - Bus
58
29

30. PHY differential transformer
P&I
Ch4 - Bus
59
P&I
Ch4 - Bus
60
30

31. Ethernet cabling
• Chuẩn 10/100Base-T dùng cáp đôi dây xoắn,
thông dụng cáp Thin Cat. 5.
• Dây số 1-2 là cặp dây vi sai dùng để phát, cặp 3-6
là thu.
• Cáp nối thẳng: được sử dụng khi kết nối thiết bị
đầu cuối với hub/switch,
• Cáp nối chéo: nối 2 thiết bị đầu cuối với nhau, đối
với cáp chéo: 2 cặp 1-2 và cặp 3-6 được đấu chéo
vào nhau, cửa truyền của thiết bị này sẽ nối với
cửa nhận của thiết bị kia và ngược lại.
P&I
Ch4 - Bus
61
Link Layer:
• Cung cấp các phương tiện để phát hiện và có
thể sửa lỗi từ tầng vật lý.
• 2 lớp con: Logical link control và MAC (media
access control):
– LLC: liên kết hoạt động phía trên và theo option sẽ
cung cấp chức năng điều khiển lưu lượng,
acknowledgment và khôi phục lỗi.
– MAC: chống xung đột, quyết định thời điểm ai
được phép truy cập môi trường truyền dẫn và xác
định bắt đầu và kết thúc một frame
P&I
Ch4 - Bus
62
31

32. MAC:
7
1
6
6
2
…
…
4
Preamble
SFD
Destination
Address
Source
Address
Length
LLC
data
PAD
FCS
• Preamble (7byte): đồng bộ bit, dãy các bit 1 và 0 với bit cuối là 0
• SFD ( Start Frame Delimiter): là dãy 10101011
• Destination Address (6byte): dest. station(s) address, là địa chỉ
vật lý duy nhất của trạm/nhóm (nhiều trạm)/ broadcast.
• Source Address (6byte).
• Length: số byte của phần LLC data tiếp theo sau.
• LLC data
• PAD: added bytes: cho frame đủ dài để dễ phát hiện xung đột.
• FCS (Frame check sequence): kiểm tra lỗi CRC 32 bit cho tất cả
các vùng trừ Preamble, SFD và bản thân FCS.
P&I
Ch4 - Bus
63
BÀI TẬP - BÀI TẬP LỚN CHƯƠNG 4
Lập nhóm nghiên cứu 1 loại bus để thiết kế ghép nối hệ
thống (kết hợp với các chương sau)
Nhiều thiết bị ngoại vi/ đo lường/ thu thập số liệu/
giám sát/ điều khiển,
Tốc độ,
Khoảng cách,
Giao thức/ đối thoại thích hợp.
P&I
Ch4 - Bus
64
32