Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия

Гук Михаил Юрьевич

Преамбула нужна только для приведения интерфейсной части устройств в исходное состояние (после подачи питания); если питание устройством не терялось, то последующие транзакции могут выполняться и без преамбулы. Имеется также нюанс в «пируэте»: для некоторых устройств второй его бит оказывается лишним — он сбивает синхронизацию данных на 1 такт.

11.3. Интерфейс SPI

Интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface), он же Microwire, — трехпроводный синхронный с раздельными линиями входных и выходных данных — применяется для связи микроконтроллеров с периферийными микросхемами и микросхемами памяти. С его помощью программируются многие микросхемы программируемой логики (например, FPGA фирмы Altera), применяемые в различных узлах ПК и периферии. По сравнению с I²C интерфейс SPI обеспечивает более высокую скорость передачи

данных. Частота синхронизации может достигать 5 МГц (зависит от подключаемых устройств); при этом за каждый такт синхронизации одновременно может и передаваться, и приниматься очередной бит данных. В основном варианте использования предполагается, что интерфейс соединяет одно ведущее устройство с одним или несколькими ведомыми устройствами. Интерфейс может применяться и для обмена между несколькими микроконтроллерами, допуская наличие на шине нескольких ведущих устройств, но протокол предоставления доступа не стандартизован. Ниже рассматривается работа интерфейса с одним ведущим устройством. В интерфейсе используются 3 обязательных сигнала:

♦ 

SCK

(Serial Clock) — синхросигнал, которым ведущее устройство стробирует каждый бит данных;

♦ 

MOSI

(Master Output Slave Input) — выходные данные ведущего устройства и входные данные ведомого устройства;

♦ 

MISO

(Master Input Slave Output) — входные данные ведущего устройства и выходные данные ведомого устройства.

Кроме того, может использоваться сигнал выбора ведомого устройства

SS#

(Slave Select, или

CS#

— Chip Select): ведомое устройство должно реагировать на сигналы интерфейса и генерировать выходные данные на линии MISO только при низком уровне этого сигнала; при высоком уровне выход

MISO

должен переводиться в высокоимпедансное состояние. С помощью сигналов

SS#

, раздельно формируемых ведущим устройством для каждого из ведомых устройств, ведущее устройство может выбирать партнером в транзакции одно из ведомых. При этом получается гибридная топология соединений: по сигналам

SCK

,

MOSI

и

MISO

— топология шинная, по

SS#

— звездообразная (центр — ведущее устройство).

Возможен и иной способ общения ведущего устройства с несколькими ведомыми устройствами с чисто шинной топологией. Здесь сигнал

SS#

для выбора устройств не используется, но ведомые устройства все время «слушают» шину, ожидая специальной адресной посылки в начале транзакции. Опознав свой адрес, устройство отрабатывает дальнейшие протокольные посылки, и теперь ему разрешается выводить данные на линию

MISO

до конца текущей транзакции. Однако этот вариант требует довольно сложной логики поведения ведомого устройства.

Данные передаются старшим битом вперед. Устройства различных производителей могут использовать разные режимы обмена (SPI Mode 0…SPI Mode 3), различающиеся фазой и полярностью синхросигналов. Рис. 11.5 иллюстрирует передачу и прием байта в различных режимах. Заметим, что в любом режиме входные и выходные данные стробируются по разным перепадам синхроимпульсов. Кроме того, есть варианты в использовании сигнала

SS#

. В первом варианте (он и представлен на рисунке) для ведомого устройства признаком начала транзакции является спад сигнала

SS#

, а завершения — его подъем. Во втором варианте начало транзакции определяется по первому фронту (спаду)

SCK

, а сигнал

SS#

может иметь низкий уровень постоянно. Второй вариант иногда предпочитают для простейшего двухточечного интерфейса с единственным ведущим устройством и единственным ведомым устройством, когда нет опасения потери синхронизации. Микроконтроллеры с аппаратным портом SPI, как правило, имеют возможность программного выбора режима. Форматы транзакций зависят от устройств, но общая идея такова: ведущее устройство по линии

MOSI

посылает код операции и адресную информацию для устройства; затем следуют данные. В операции записи они передаются ведущим устройством по той же линии, в операции чтения устройство их посылает по линии

MISO

. На время всей транзакции ведущее устройство сохраняет активное состояние линии

SS#

, число требуемых синхроимпульсов зависит от формата команды.

Рис. 11.5. Форматы передач по интерфейсу SPI

11.4.

Интерфейс JTAG

Интерфейс JTAG (Joint Test Action Group) предназначен для тестирования сложных логических схем, установленных в целевое устройство. Этот интерфейс описан в стандарте IEEE 1149.1 Boundary Scan Architecture и является последовательным синхронным, но в связи со спецификой назначения значительно отличается от вышеописанных интерфейсов, ориентированных на передачу данных. Интерфейсом JTAG управляет одно устройство-контроллер (чаще всего это ПК с соответствующим интерфейсным адаптером), к которому может быть подключено несколько тестируемых устройств. Ниже перечислены сигналы интерфейса JTAG.

♦ 

TCK

(Test Clock) — сигнал синхронизации последовательных данных; генерируется контроллером. Частота синхронизации может достигать 16 МГц.

♦ 

TMS

(Test Mode Select) — сигнал выбора тестового режима. Генерируется контроллером.

♦ 

TDI

(Test Data Input) — входные данные, принимаемые устройством в последовательном двоичном коде (младшим битом вперед).

♦ 

TDO

(Test Data Output) — выходные данные, передаваемые устройством в последовательном двоичном коде.

♦ 

TRST

(Test Logic Reset) — необязательный сигнал сброса логики интерфейсного порта, генерируемый контроллером.

Эти сигналы (все однонаправленные), имеющие обычные логические уровни, образуют тестовый порт TAP (Test Access Port), через который тестируемое устройство подключается к тестирующему оборудованию (контроллеру). В задачу тестирующего оборудования входит формирование тестовых сигналов по программе тестирования, определенной разработчиком тестируемого устройства, и сравнение полученных результатов с эталонами. Один и тот же контроллер и порт могут использоваться для тестирования любого числа устройств, поддерживающих JTAG. Для этого устройства своими портами TAP соединяются в цепочку (рис. 11.6). Стандартизованный логический формат позволяет контроллеру независимо общаться с каждым из устройств цепочки (для этого, конечно, они должны иметь исправные ячейки JTAG).

Рис. 11.6. Цепочка устройств с интерфейсом JTAG

Идею тестирования любой цифровой схемы иллюстрирует рис. 11.7, на котором показана условная цифровая система, имеющая входные, выходные (возможно, с третьим состоянием) и двунаправленные сигналы. Ячейки тестирования B/S врезаются между реальными внешними выводами устройства и собственно логическим устройством, то есть располагаются на логической границе (boundary) устройства. TAP-контроллер способен сканировать ячейки — управлять ими и считывать с них информацию. Отсюда и пошло название Boundary Scan, которое можно перевести как «периферийное сканирование». При включенном тестовом режиме TAP-контроллер может логически отсоединить сигналы от внешних выводов, задавать входные воздействия и считывать результаты — собственно, это все, что необходимо для тестирования последовательностных схем (автоматов с памятью). Прелесть JTAG заключается в том, что независимо от сложности устройства оно тестируется с помощью всего лишь четырех сигналов — все сложности прячутся в достаточно простые ячейки, «окутывающие» его сигнальные выводы.

Рис. 11.7. Включение ячеек сканирования

Тестовая логика, встраиваемая в устройство, поддерживающее JTAG, состоит из следующих элементов:

♦ тестовый порт TAP (четыре интерфейсных сигнала);

♦ TAP-контроллер, управляющий тестовыми регистрами;

♦ регистр инструкций IR (Instruction Register), который принимает последовательный код со входа TDI (код инструкции используется для выбора исполняемой тестовой операции или регистра тестовых данных, к которым производится обращение);

♦ регистры тестовых данных, из которых любое устройство должно иметь три обязательных регистра:

ВPR

(Bypass Register),

DID

(Device Identification Register) и

BSR

(Boundary Scan Register).

Регистры инструкций и данных представляют собой независимые сдвиговые регистры, соединенные параллельно. На их входы (старшие биты) приходит сигнал

TDI

, с выходов (младшие биты) снимается сигнал

TDO

. По каждому положительному перепаду данные продвигаются на один бит.