3. Interfaces externas de propósito general

3. Interfaces externas de propósito general
Oliverio J. Santana Jaria Periféricos e Interfaces Ingeniería en Informática Curso 2007 – 2008

Interfaces externas Interfaz (Electrón). Dispositivo capaz de transformar las señales emitidas por un aparato en señales comprensibles por otro. (WordReference) En electrónica, un interfaz es el puerto por el cual se envían o reciben señales desde un sistema hacia otros. Yo creo que en informática llamamos “puerto” a un medio por el cual el procesador puede comunicarse con un dispositivo externo al computador. Una interfaz vendría a ser un puerto acompañado de un protocolo que establece los términos de la comunicación por medio de ese puerto. [STALLINGS 7.7]

Interfaces serie y paralela
La interfaz puede ser serie o paralela Serie: solo hay una línea de conexión, los bits se transmiten de uno en uno Paralela: hay varias líneas de conexión, lo que permite transmitir varios bits de forma simultánea Tradicionalmente se asocian las interfaces paralelas con dispositivos de alta velocidad (cinta, disco…) y las interfaces serie con dispositivos más lentos (impresoras, terminales…) Hoy en día, las interfaces serie de alta velocidad hacen que las paralelas sean cada vez menos frecuentes [STALLINGS 7.7]

Configuraciones punto-a-punto
Una interfaz punto-a-punto proporciona una línea específica entre el controlador de E/S y el dispositivo externo En los PCs tradicionales, las líneas punto-a-punto se utilizan para dispositivos como el teclado, el ratón y la impresora Como ejemplos estudiaremos: El puerto paralelo del PC – Centronics El puerto serie del PC – RS232C El bus serie universal: USB [STALLINGS 7.7]

Configuraciones multipunto
Las interfaces externas multipunto cobran cada vez más importancia, ya que se utilizan para dar soporte a: Dispositivos de almacenamiento masivo (disco, cinta…) Dispositivos multimedia (CD-ROM, equipos de audio, equipos de video…) Estas interfaces multipunto son, en realidad, buses externos que poseen el mismo tipo de lógica que los buses Como ejemplos estudiaremos: El bus serie FireWire InfiniBand [STALLINGS 7.7]

Estructura del tema Introducción Interfaces punto-a-punto
El puerto paralelo del PC – Centronics El puerto serie del PC – RS232C El bus serie universal: USB Interfaces multipunto El bus serie FireWire InfiniBand

El puerto paralelo El principal objetivo del puerto paralelo de un PC es actuar como interfaz con la impresora Los PCs actuales poseen al menos un puerto paralelo, aunque suelen estar preparados (DOS/BIOS) para manejar hasta cuatro distintos Normalmente se denominan LPT1, LPT2, LPT3 y LPT4 (Line PrinTer) La abreviatura PRN (PRiNter) se usa con frecuencia como sinónimo de LPT1 [MESSMER 32]

Interfaz Centronics La conexión entre el puerto paralelo del PC y la impresora se realiza por medio de un cable Centronics Normalmente, un cable Centronics está compuesto por 36 líneas, por lo que los conectores también tienen 36 pins [MESSMER 32]

Interfaz Centronics De las 36 líneas, sólo 17 están realmente mapeadas a señales del protocolo de comunicación Hay 18 líneas mapeadas como líneas de tierra Dentro del cable, las líneas de tierra se tuercen alrededor de las otras para evitar interferencias entre ellas [MESSMER 32]

Interfaz Centronics El conector de la impresora tiene 36 pins
Dado que no todas las líneas transmiten una señal, el conector del PC suele reducirse a 25 pins El conector es más pequeño y barato Las líneas de tierra que faltan pueden recrearse de las otras [MESSMER 32]

Interfaz Centronics La longitud del cable no debe exceder los 5 metros o empezarán a producirse errores de transmisión Para distancias mayores sería necesario usar transmisión serie El cable serie permite distancias de hasta 200 metros, pero transmitir a través de él es más lento [MESSMER 32]

Estructura del puerto paralelo
Cada puerto paralelo es accedido por el computador utilizando la dirección a la que está mapeado Los componentes centrales del puerto paralelo son tres registros de ocho bits cada uno Datos – dirección base + desplazamiento 00h Estado – dirección base + desplazamiento 01h Control – dirección base + desplazamiento 02h [MESSMER ]

El registro de datos almacena los bits de datos que deben ser transferidos Este registro puede ser tanto leído como escrito por el computador usando las instrucciones correspondientes [MESSMER ]

El registro de estado es de solo lectura y permite al computador comprobar el estado del dispositivo [MESSMER ]

El registro de control permite al computador gestionar el comportamiento del dispositivo Por otro lado, también permite al dispositivo generar interrupciones para solicitar la atención del computador [MESSMER ]

La dirección recibida por las líneas A0…A9 es decodificada si la señal IOR o IOW está activa Los datos se transmiten a nivel de bytes por medio de un registro interno [MESSMER ]

El computador puede modifica el registro de control y responde a las interrupciones El computador puede leer el registro de estado para comprobar el estado de la impresora [MESSMER ]

Todas las señales se mapean en el conector Centronics, ya sea en su versión de 36 pins o en su versión de 25 [MESSMER ]

Protocolo de comunicación
En total, el protocolo de comunicación cuenta con 17 líneas Datos: 8 líneas de salida Estado: 5 líneas de entrada (una invertida) Control: 4 líneas de salida (tres invertidas) [MESSMER 32.1] [MESSMER 32.2]

El protocolo necesario para que el computador transmita un byte a la impresora utiliza principalmente las señales Strobe, Ack y Busy 1. Introducir el byte a enviar en el registro de datos 2. Esperar a que la impresora no esté ocupada (Busy) 3. Activar Strobe para que la impresora acepte el dato 4. La impresora activa Busy para indicar que está procesando el dato 5. La impresora activa Ack para indicar que ha terminado y se puede regresar al primer paso [MESSMER 32.1] [MESSMER 32.2]

También es posible realizar un intercambio de datos entre dos computadores usando el puerto paralelo 1. El emisor activa DSL para indicar que quiere enviar datos 2. El receptor contesta activando INI La conexión está establecida y los papeles de emisor y receptor han sido asignados [MESSMER 32.2]

También es posible realizar un intercambio de datos entre dos computadores usando el puerto paralelo 3. El emisor carga el dato y realiza un pulso de STB, lo que genera una interrupción en el receptor 4. La rutina de gestión de interrupción del receptor adquiere el dato [MESSMER 32.2]

También es posible realizar un intercambio de datos entre dos computadores usando el puerto paralelo 5. El receptor realiza un pulso de STB, lo que genera una interrupción en el emisor 6. La interrupción en el emisor devuelve el control a la rutina que repetirá los pasos 3, 4 y 5 hasta que el último dato se transmita [MESSMER 32.2]

También es posible realizar un intercambio de datos entre dos computadores usando el puerto paralelo 7. El transmisor desactiva DSL 8. El receptor desactiva INI La conexión ha concluido y el proceso puede repetirse, reasignándose los papeles de emisor y receptor [MESSMER 32.2]

Puerto paralelo IEEE-1284 La funcionalidad del puerto paralelo integrado en las placas madre de los computadores actuales ha sido mejorada siguiendo el estándar IEEE-1284 Este estándar presenta cinco modos de operación: Compatible: SPP – Standard Parallel Port Byte Nibble Extendido: EPP – Extended Parallel Port Capacidad mejorada: ECP – Enhanced Capability Mode [MESSMER 32.3]

Puerto paralelo IEEE-1284 Las líneas utilizadas por los cinco modos de operación son las mismas, pero con diferentes nombres/funciones [MESSMER 32.3]

IEEE-1284 en modo SPP El modo SPP se define para permitir la compatibilidad con el modo unidireccional Centronics original Se corresponde con una interfaz Centronics estándar Permite que impresoras antiguas puedan ser conectadas a un puerto que cumpla la norma IEEE-1284 Este modo sólo admite emisión de datos y, al ser undireccional, está completamente controlador por el procesador [MESSMER 32.3]

IEEE-1284 en modo byte El modo byte corresponde a un protocolo Centronics bidireccional en el que los datos se transfieren byte a byte a través del registro de datos Es necesaria una señal de control adicional para indicar la dirección de la transferencia El valor del bit correspondiente del registro de control debe establecerse antes de cada ciclo de transferencia [MESSMER 32.3]

IEEE-1284 en modo nibble El modo nibble permite la transferencia de datos en grupos de 4 bits (nibble) Cuatro de las líneas de estado se utilizan como líneas de datos Una transferencia abarca siempre un byte completo En primer lugar se envía la primera mitad del byte Una vez que ha sido procesada, se envía la segunda mitad [MESSMER 32.3]

IEEE-1284 en modo EPP El modo EPP permite transferencias bidireccionales de bloques de hasta 256 bytes Al contrario que los modos anteriores, el protocolo de señales no es controlado por software sino por hardware La programación es más eficiente El circuito necesario es más complejo y caro Dispone de los registros estándar, lo que permite compatibilidad con el modo SPP Además hay otros registros adicionales [MESSMER 32.3]

IEEE-1284 en modo ECP Sus características son similares a las del modo EPP, aunque está limitado a 128 bytes El modo ECP permite compresión de datos Una cola FIFO almacena los bits a transmitir No se envían series de bits iguales, sino que se envía el número de bits que compone la serie (run length codes) La mayor complejidad hace necesaria la presencia de varios registros adicionales, aunque los equivalentes a los 3 registros estándar siguen presentes [MESSMER 32.3]

El puerto serie El puerto serie de un computador es de gran importancia debido a su flexibilidad El puerto paralelo transmite varios bits a la vez, por lo que su funcionamiento dependerá de: El formato de la línea de transmisión La anchura de la línea de transmisión El puerto serie trasmite la información a nivel de bits Todos los datos son preprocesados y divididos en bits Estos bits se transmiten siempre de uno en uno El receptor procesa los bits recibidos para recomponer los datos La línea de transmisión es siempre igual: 1 bit de ancho [MESSMER 33]

Puerto serie vs. Puerto paralelo
El puerto paralelo:  Es teóricamente más rápido  Los datos no necesitan ser preprocesados  Es menos flexible  Es más costoso  Tiene predisposición a sufrir errores en distancias largas El puerto serie:  Es teóricamente más lento  Los datos deben ser preprocesados (serializados/deserializados)  Es más flexible  Es mucho menos costoso por su menor número de líneas  Tiene una menor predisposición a sufrir errores, incluso en distancias largas [MESSMER 33]

Transferencia serial síncrona
En una transferencia serial síncrona se intercambian una o varias señales de control entre emisor y receptor Las señales de control determinan cuando hay un bit de datos válido en la línea de transmisión Puede existir una señal de reloj que controle la sincronización Si no hay una señal de reloj, la sincronización se realizará por medio de un protocolo típico solicitud – reconocimiento [MESSMER 33.1]

Transferencia serial asíncrona
En una transferencia serial síncrona, los propios datos contienen la información de temporización necesaria El receptor muestrea la línea a intervalos regulares para detectar la llegada de datos La transmisión se realiza a nivel de bloques de datos (SDU – Serial Data Unit) Un bit de comienzo (start) indica el principio de un SDU Un bit de final (stop) indica que el SDU ha terminado Se añaden bits de paridad para el control de errores [MESSMER 33.1]

Transferencia síncrona vs. asíncrona
La transferencia síncrona  Permite mayores velocidades de transmisión  Permite que el receptor pueda interactuar con emisores de frecuencia de reloj variada siempre que no sobrepasen su frecuencia máxima  Permite interconectar una menor variabilidad de dispositivos, ya que emisor y receptor deben cumplir con el mismo protocolo de transmisión La transferencia asíncrona  Es más lenta debido a que hay que transmitir información adicional a través de la línea  Exige que emisor y receptor trabajen a la misma frecuencia de reloj, pues el receptor muestrea la línea periódicamente  Permite interconectar una mayor variabilidad de dispositivos [MESSMER 33.1]

Bits de paridad Casi todos los puertos serie soportan la generación y comprobación de bits de paridad a nivel hardware El método más simple permite detectar errores en un solo bit Métodos más complejos permiten detectar errores en varios bits e incluso corregir algunos de ellos, pero a costa de tardar más en generar el SDU e introducir más información adicional Se utilizan cinco tipos de paridad distintos Sin paridad: no se inserta información de paridad en el SDU Paridad par: se inserta un bit de paridad tal que el número de 1s sea par Paridad impar: se inserta un bit de paridad tal que el número de 1s sea impar Marca (mark): el bit de paridad es siempre 1 Espacio (space): el bit de paridad es siempre 0 [MESSMER 33.1]

Velocidad de transferencia: baudios
El baudio es una unidad que mide el número de cambios por segundo que se producen en una señal En un puerto serie estándar, los baudios indican el número de bits transmitidos por segundo Los cambios de una señal se limitan a los valores 0 y 1 Estos cambios se producen con una frecuencia regular Los bits de comienzo, fin y paridad se consideran bits transmitidos a efectos de medir la velocidad Si las condiciones no son éstas, el número de bits por segundo no coincidirá con los baudios [MESSMER 33.1]

Serialización Antes de realizar una transferencia a través de un puerto serie, el emisor y el receptor deben acordar el formato de transmisión Número de bits de datos Tipo de paridad Velocidad de transmisión Ejemplo: baudios transmisión asíncrona bits de datos + 1 de paridad [MESSMER 33.1]

Serialización La línea de comunicación se mantiene a un valor determinado cuando no se utiliza (en el ejemplo: 1) El bit de comienzo debe tener el valor contrario para que pueda ser detectado El bit de final tendrá el mismo valor Ejemplo: baudios transmisión asíncrona bits de datos + 1 de paridad [MESSMER 33.1]

Serialización: transmisión de un dato
Dado un dato, la circuitería SDU coloca el bit de comienzo, calcula la paridad, añade los bits correspondientes y coloca el bit de final El SDU generado se almacena en un registro de desplazamiento que actúa de acuerdo con una señal de reloj interna [MESSMER 33.1]

Serialización: recepción de un dato
Cuando se recibe el bit de comienzo, un registro de desplazamiento recompone el dato a partir de los bits recibidos siguiendo el ritmo del reloj interno Una vez que el dato completo está disponible, la circuitería SDU obtiene los bits de datos y comprueba los bits de paridad [MESSMER 33.1]

Serialización: errores de transmisión
Durante la transmisión de un SDU pueden darse diversos tipos de errores Error de estructura (frame): si el receptor detecta un bit de final incorrecto significa que el SDU no se ha ajustado a la estructura pactada al inicio de la transmisión Error de rotura (break): si el receptor detecta que la línea está a un valor distinto del por defecto durante más tiempo que la duración de un SDU significa que la conexión se ha roto Error de sobrescritura (overrun): si los datos llegan demasiado rápido, un SDU recompuesto pero no leído puede ser sobrescrito por un SDU posterior Error de paridad (parity): si ninguno de los errores anteriores ha ocurrido, el SDU ha llegado correctamente; sin embargo, todavía es necesario comprobar la paridad, que podría ser incorrecta por problemas en la línea o por una configuración errónea del tipo de paridad [MESSMER 33.1]

La interfaz RS232C La mayoría de las transferencias seriales realizadas en los computadores modernos se realizan cumpliendo con el estándar RS232C Este estándar define la interfaz entre dos equipos a nivel mecánico, eléctrico y lógico: Equipo terminal de datos (DTE – Data Terminal equipment) Equipo de transmisión de datos (DCE – Data Carrier Equipment) La comunicación física entre dos DTE (ej. PCs) se realizará por medio de sus correspondientes DCE (ej. módems) [MESSMER 33.2]

La interfaz RS232C El estándar RS232C define 25 líneas entre DTE y DCE, por lo que los conectores deberían tener 25 pins El típico uso de este protocolo en los computadores actuales es el intercambio asíncrono de datos en serie Sólo 11 señales son necesarias para este propósito El resto (la mayoría) están reservadas para los intercambios síncronos, aunque es un tema en el que no entraremos El conector usado habitualmente tiene sólo 9 pins, perdiéndose con ello una línea de tierra y la señal DSRD [MESSMER 33.2]

La interfaz RS232C [MESSMER 33.2]

La interfaz RS232C La transferencia entre DTE y DCE está controlada por cinco señales Establecimiento de conexión DTR (data terminal ready): el DTE activa esta señal para indicar que se encuentra preparado para enviar datos DSR (data set ready): el DCE activa esta señal para indicar que se encuentra preparado para recibir datos DCD (data carrier detect): el DCE activa esta señal para indicar que está conectado con el DCE remoto que recibirá la transmisión Transferencia de datos (inútiles sin establecer la conexión) RTS (request to send): el DTE solicita al DCE que se prepare para una transferencia de datos CTS (clear to send): el DCE indica al DTE que está listo para recibir la transferencia de datos [MESSMER 33.2]

La interfaz RS232C Las otras cuatro señales también tienen una función relacionada con transferencias DTE – DCE TD (transmitted data): datos transmitidos RD (received data): datos recibidos RI (ring indicator): el DCE activa esta señal, independientemente de que se haya o no establecido una conexión, para indicarle al DTE que un DCE remoto desea realizar una transmisión DSRD (data signal rate detector – sólo 25-pin): esta señal bidireccional permite tanto al DTE como al DCE cambiar la velocidad de transmisión (baudios) [MESSMER 33.2]

Tipos de conexión RS232C El protocolo RS232C permite establecer tres tipos distintos de conexión: Simplex: unidireccional Half-duplex: bidireccional por turnos Full-duplex: bidireccional simultánea Cada uno de estos tres tipos de conexión difiere de los demás en el uso que realiza de las líneas Transmisión: TD y RD Establecimiento de conexión: DTR, DSR, DCD y RI Transferencia de datos: RTS y CTS [MESSMER 33.2]

Tipos de conexión RS232C: simplex
Cuando la transferencia de datos se realiza desde el DTE al DCE las líneas se usan de la siguiente forma: TD: el DTE la usa para enviar datos al DCE RD: no se usa DTR: el DTE la usa para indicar que transmitirá datos DSR: el DCE la usa para responder (o la tiene siempre activa) DCD: el DCE la mantiene inactiva, no recibe del exterior RI: en general, no tiene sentido (hay excepciones) RTS: el DCE la ignora (o el DTE la mantiene activa) CTS: el DTE la ignora (o el DCE la mantiene activa) [MESSMER 33.2]

Tipos de conexión RS232C: simplex
Cuando la transferencia de datos se realiza desde el DCE al DTE las líneas se usan de la siguiente forma: TD: no se usa RD: el DCE la usa para enviar datos al DTE DCD: el DCE indica transmisión entrante al DTE DSR: el DCE está listo para trasmitir (o siempre activa) DTR: el DTE la usa para indicar que está listo para recibir RI: permite al dispositivo externo llamar al DTE (vía DCE) RTS: el DCE la ignora (o el DTE la mantiene activa) CTS: el DTE la ignora (o el DCE la mantiene activa) [MESSMER 33.2]

Tipos de conexión RS232C: half-duplex
En una conexión half-duplex, tanto el DTE como el DCE pueden actuar como emisor y como receptor, pero sólo uno a la vez Por TD se transmiten datos y por RD se reciben datos, pero de una forma estrictamente ordenada El DTE indica que está listo usando la señal DTR, mientras que el DCE hace lo propio con DSR Cuando un DTE desea transmitir activa RTS y espera a que el correspondiente DCE confirme la conexión usando CTS La conexión puede cambiar de dirección de nuevo por medio de RTS y CTS La señal RI es importante para que el DTE detecte que un dispositivo externo desea contactar con él [MESSMER 33.2]

Tipos de conexión RS232C: full-duplex
El uso más generalizado de este protocolo es el full-duplex, que permite transferir datos en ambas direcciones al mismo tiempo Dos conexiones físicas separadas Una conexión física pero dos canales lógicos Es importante que los extremos de la comunicación no tengan que esperar a que el otro habilite la conexión RI indica que un dispositivo externo desea conectar El DTE confirma que está listo con DTR El DCE responde con DSR (o está siempre activa) RTS y CTS no se usan o permanecen siempre activas [MESSMER 33.2]

El estado normal de las señales en una conexión RS232C full-duplex es el siguiente [MESSMER 33.2]

Cuando el DCE recibe una comunicación del exterior activa la señal RI para comunicárselo al DTE [MESSMER 33.2]

El DTE detecta RI y contesta activando DTR para indicar que está listo para la conexión [MESSMER 33.2]

Una vez que el módem ha completado los preparativos, activa DSR para indicarlo [MESSMER 33.2]

Ahora que la conexión se ha establecido, el DCE activa la señal DCD para indicárselo al DTE [MESSMER 33.2]

Opcionalmente, el DTE activa RTS para enviar datos y el DCE lo reconoce con CTS; ambas permanecen activas [MESSMER 33.2]

La transferencia de datos bidireccional continuará mientras las señales DTR, DSR y DCD estén activas [MESSMER 33.2]

RS232C: conexión con una impresora
Es posible conectar una impresora a un computador a través del puerto serie RS232C En esta conexión no existe un DCE, por lo que el significado de las señales cambia ostensiblemente [MESSMER 33.3]

El computador no usa las señales DCD y RI, dado que la impresora no puede llamarle La línea TD del computador se conecta a la línea RD de la impresora para transmitir los datos [MESSMER 33.3]

La RTS del computador se conecta a la CTS para que las peticiones de transmisión se habiliten directamente Las líneas de la impresora se puentean para que DSR, DCD y CTS estén activas durante la comunicación [MESSMER 33.3]

El computador es más rápido que la impresora Se toma un pin no usado (ej. 19) en el lado de la impresora Se le da el significado de “buffer de impresora lleno” Hay un problema de compatibilidad: pueden usarse pins distintos Se conecta esta señal a la entrada DSR del computador [MESSMER 33.3]

RS232C: conexión entre computadores
La conexión directa no es posible Los dos dispositivos son DTEs Los dos conectores son iguales y las señales coinciden La solución es el esquema denominado módem nulo [MESSMER 33.3]

La TD de cada DTE se conecta con la RD del otro La entrada de datos de un DTE es la salida de datos del otro Esto simula la tarea que normalmente realizarían los DCEs, los cuales no existen en este tipo de conexión [MESSMER 33.3]

La señal DTR de cada DTE se utiliza para solicitar la conexión al otro, simulando la presencia de un DCE Activa la señal RI del otro DTE Activa la señal DSR del otro DTE [MESSMER 33.3]

La señal RTS de cada DTE tiene dos funciones que, de nuevo, simulan la presencia de los DCEs Activa su propia CTS para habilitar la transmisión Activa la DCD del otro para avisarle de la transmisión [MESSMER 33.3]

UART 8250 El circuito que se encarga de las tareas complejas de un puerto serie es denominado UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) Una UART es un emisor/receptor programable para transmisiones asíncronas cuyas funciones son: Conversión serie-paralelo: recibir transmisiones serie y restituir los datos a su forma original Conversión paralelo-serie: serializar datos internos del computador para transmitirlos a través de una línea serie [MESSMER 33.6]

UART 8250 Los PCs actuales utilizan el chip 8250 como UART
Encapsulado con 40 pins Bus de datos de 8 bits Su sucesor, el chip 16450, mantiene la compatibilidad pero permite mayores velocidades de transmisión Una versión posterior, el chip 16550, incorpora un buffer FIFO para los datos entrantes/salientes que permite compensar mejor las diferencias de velocidad [MESSMER 33.6]

UART 8250 El control de emisión toma el dato almacenado en el registro de emisión Se incorporan los bits de comienzo, fin y paridad Un registro de desplazamiento permite serializar el dato para su transmisión Solo el chip implementa la funcionalidad FIFO [MESSMER 33.6]

UART 8250 El control de recepción detecta y separa los bits de comienzo, de fin y de paridad Un registro de desplazamiento va almacenando los bits de datos y, cuando el dato está completo, se pasa al registro de recepción Solo el chip implementa la funcionalidad FIFO [MESSMER 33.6]

UART 8250 La frecuencia de referencia proviene de un oscilador externo y se divide por el contenido del registro divisor La velocidad de emisión condiciona el funcionamiento del control de emisión (salida BAUDOUT) El control de recepción también tiene en cuenta la velocidad del dispositivo al otro lado de la conexión (entrada RCLK) [MESSMER 33.6]

UART 8250 La frecuencia de referencia proviene de un oscilador externo y se divide por el contenido del registro divisor El registro divisor permite configurar la UART para operar a distintas velocidades Es frecuente que la salida BAUDOUT se conecte a la entrada RCLK para garantizar con ello que emisor y receptor operen a la misma velocidad [MESSMER 33.6]

frecuencia_referencia
UART 8250 El registro divisor debe contener el valor adecuado para obtener la velocidad deseada a partir de la frecuencia de referencia En realidad se multiplica el divisor por 16 para muestrear un mismo bit varias veces y reducir el efecto de posibles distorsiones frecuencia_referencia velocidad_deseada = divisor * 16 [MESSMER 33.6]

UART 8250 La lógica de control del módem se encarga de gestionar las señales del protocolo RS232C Sin y Sout se corresponden con RD y TD DTR, DSR, DCD, RTS, CTS y RI implementan las señales de control del protocolo [MESSMER 33.6]

UART 8250 La lógica de control de interrupciones se encarga de generar una interrupción cuando sea necesario Detecta cambios en las líneas del protocolo y en los registros de emisión y recepción, así como posibles errores de transmisión Genera una interrupción, comprobando el registro máscara, y almacenando su causa en el registro de identificación [MESSMER 33.6]

UART 8250 En total, el chip 8250 tiene 11 registros internos
Las tres líneas de dirección permiten seleccionar ocho Las operaciones de lectura/escritura acceden a uno distinto El bit DLAB permite seleccionar el registro divisor [MESSMER 33.6]

UART 8250 Todos los registros están conectados
Entre sí por medio de un bus interno Con el computador por medio de la interfaz externa Pueden ser direccionados (direcciones sucesivas desde la base) Pueden ser leídos y escritos [MESSMER 33.6]

UART 8250 Diez de los registros actúan como registros de control y/o registros de estado El undécimo ( scratch-pad ) no tiene funcionalidad Almacenamiento temporal Sólo presente en los chips y 16550 [MESSMER 33.6]

USB El USB (Universal Serial Bus) se creó para unificar la gran variedad de conectores serie que existían Facilmente configurable Permite la conexión en caliente (plug and play) El SO detecta la conexión y desconexión de dispositivos El SO identifica los dispositivos conectados y los configura Facilmente ampliable Pueden conectarse tipos muy distintos de dispositivos Síncronos/asíncronos Diferentes velocidades de transferencia Se reduce el número de puertos necesarios Hasta 127 dispositivos pueden conectarse en un mismo puerto El propio puerto puede proporcionar alimentación a los dispositivos [MESSMER 35]

USB: estructura El bus USB tiene una estructura estratificada con forma de árbol La conexión de los dispositivos sigue un esquema encadenado (hardware polling) La gestión del bus es centralizada y se realiza desde el controlador integrado en el computador (host) Cada dispositivo USB tiene su propia dirección en el sistema El controlador inicia todas las actividades y se comunica con el computador por medio de interrupciones Ningún dispositivo USB puede iniciar una transacción por sí mismo para evitar sobrescribir datos presentes en el bus [MESSMER 35]

USB: estructura El host también actúa como un distribuidor (hub) que permite la conexión de varios dispositivos USB (nodos) Se reduce el número de conexiones necesarias Se reduce la cantidad de recursos del computador ocupados (canales E/S, canales DMA, interrupciones…) Se pueden añadir hubs adicionales para ampliar la estructura del sistema y permitir la conexión de un mayor número de dispositivos (hasta 127) [MESSMER 35]

USB: hub La principal funcionalidad de un hub es extender el sistema proporcionando nuevos puertos de conexión Cada hub proporciona un puerto de conexión con el host (upstream) y varios puertos de conexión con dispositivos u otros hubs (downstream) Al igual que cualquier otro dispositivo USB, un hub debe ser configurado, recibiendo su propia dirección [MESSMER 35]

USB: hub Un hub USB no es sólo un distribuidor de datos, también dispone de cierta inteligencia Repetidor: distribuye el tráfico entre el host (puerto upstream) y los dispostivisos USB (puertos downstream) Controlador: se encarga de regular el tráfico de datos de acuerdo con los dispositivos USB conectados El controlador del hub proporciona la interfaz de configuración al exterior [MESSMER 35]

USB: conectores Existen dos tipos de conectores USB
La serie A se utiliza para realizar conexiones hacia el host La serie B se utiliza para realizar conexiones hacia un dispositivo [MESSMER 35.1]

USB: cables El cable USB contiene solo cuatro líneas
GND: tierra VBus: alimentación (no es suficiente para algunos dispositivos) D+ D–: líneas diferenciales de transmisión La longitud máxima del cable es de 5 metros y su ancho de banda máximo es 60 Mbytes (USB 2.0) Pin 1 VBus rojo Pin 2 D– blanco Pin 3 D+ verde Pin 4 GND negro [MESSMER 35.1]

USB: cables Los datos se transmiten en serie por las línea D+ D–
No hay una señal de reloj La sincronización se obtiene a partir de los propios datos utilizando condificación NRZI (Non Return to Zero Inverted) Un uno se representa manteniendo el nivel de voltaje Cada vez que aparece un cero se cambia la polaridad Si aparecen seis unos seguidos se inserta un cero (bit-stuffing) para forzar cambios de polaridad frecuentes y evitar, con ello, pérdidas de sincronización [MESSMER 35.1]

USB: transmisión de datos
Las transferencias de datos se realizan estableciendo canales de comunicación virtuales (pipes) Los canales son creados por el host Cada canal ocupa parte del ancho de banda disponible Los canales terminan en un punto de final Cada dispositivo puede soportar varios puntos de final y, por tanto, varios canales distintos La prioridad de los dispositivos viene dada por la conexión en cadena [MESSMER 35.2]

Cuando se conecta un dispositivo, el canal de control por defecto se establece con el punto de final 0 Durante la inicialización, el host determina: El formato de datos que soporta el dispositivo conectado El tipo de dispositivo y la dirección de la transferencia Los requerimientos de frecuencia y latencia de bus El ancho de banda necesario El tamaño máximo de los paquetes Finalizado este proceso, el host asigna una dirección al dispositivo [MESSMER 35.2]

Las transmisiones se dividen en tramas de tiempo (frame) Durante las tramas se producen transacciones compuestas por paquetes Existen tres tipos de paquetes: Inicialización (token) Datos (data) Protocolo (handshake) Cada paquete comienza con un campo de sincronización (SYNC) que maximiza el número de transiciones en la línea El tipo de paquete se diferencia con un identificador (PID) [MESSMER 35.2]

Podemos distinguir dos tipos distintos de canales Los canales de mensaje tienen un formato concreto El esquema que siguen es: Petición – Dato – Estado Cada petición debe ser completamente resuelta antes de pasar a la siguiente Implican un movimiento de datos bidireccional Los canales de flujo (stream) no tienen un formato Los datos se envían de forma secuencial El movimiento de datos es unidireccional [MESSMER 35.2]

Se definen 4 tipos posibles de transferencias Control (canal mensaje): utilizadas para configurar los dispositivos que se conectan Se garantiza la correcta emisión/recepción de datos No se garantiza la latencia o el ancho de banda Masivas (canal flujo): transferencias esporádicas de grandes cantidades de datos que pueden esperar (impresoras, escáners…) [MESSMER 35.2]

Se definen 4 tipos posibles de transferencias Por interrupciones (canal flujo): transferencias esporádicas de pocos datos que requieren atención inmediata (teclado, ratón…) Se garantiza la correcta emisión/recepción de datos Se garantiza la latencia y el ancho de banda Alta velocidad (canal flujo): grandes cantidades de información que se transmiten de forma continua (audio/video en tiempo real…) No se garantiza la correcta emisión/recepción de datos Se garantiza una latencia y un ancho de banda constante [MESSMER 35.2]

FireWire La mejora del rendimiento de los procesadores ha generado un gran aumento en las necesidades de E/S de los PCs El uso de procesadores específicos de E/S es prohibitivamente caro para sistemas pequeños Además, los PCs son cada vez más pequeños (portátiles…) por lo que no solo tienen mayores necesidades de E/S, sino que también disponen de menos espacio para conectores [STALLINGS 7.7]

FireWire El bus serie de altas prestaciones FireWire, definido por el estándar IEEE 1394, es la alternativa planteada para esta situación Su objetivo es proporcionar una única interfaz de E/S con un conector sencillo que permita manejar diversos dispositivos a través de un único puerto Por ejemplo, un único puerto FireWire puede reemplazar los conectores del ratón, la impresora, la red, el disco externo, etc… [STALLINGS 7.7]

Ventajas de FireWire Al ser un bus serie, FireWire presenta las ventajas tradicionales de la transmisión en serie: Menos líneas Líneas más estrechas y más baratas Conectores más estrechos y más baratos No se necesita protección para evitar interferencias entre líneas No se necesita sincronización entre líneas, por lo que el cable puede ser más largo sin que surjan problemas [STALLINGS 7.7]

Ventajas de FireWire Además, FireWire presenta tres ventajas importantes: Es fácil de implementar Su implementación tiene un bajo costo Alcanza una velocidad muy alta Debido a estas ventajas, se utiliza no sólo en PCs sino también en dispositivos que usan el bus para transmitir vídeo que procede, cada vez con más frecuencia, de fuentes digitalizadas (cámaras, VCR, TV…) [STALLINGS 7.7]

Configuración de FireWire
Los periféricos conectados a FireWire siguen un esquema de conexión en cadena (hardware polling) El sistema soporta tantos periféricos como sea necesario Hasta 63 dispositivos conectados con un puerto Hasta 1022 buses FireWire conectados por medio de adaptadores (bridge) [STALLINGS 7.7]

No se trata de una conexión en cadena estricta Estructura en árbol (la conexión lineal es un caso particular) No hay terminadores FireWire soporta conexión rápida: permite conectar y desconectar periféricos sin reconfigurar el sistema [STALLINGS 7.7]

FireWire soporta configuración rápida No es necesario fijar manualmente los identificadores de dispositivo o tener en cuenta la posición relativa de los dispositivos El sistema realiza automáticamente la configuración para asignar las direcciones [STALLINGS 7.7]

Protocolo FireWire FireWire especifica un conjunto de protocolos de tres capas para estandarizar la forma en que el computador anfitrión interactúa con los periféricos a través del bus serie Capa física: define los medios de transmisión permitidos y las señales y características eléctricas de cada uno [STALLINGS 7.7]

Protocolo FireWire FireWire especifica un conjunto de protocolos de tres capas para estandarizar la forma en que el computador anfitrión interactúa con los periféricos a través del bus serie Capa de enlace: describe la transmisión de datos por medio de paquetes [STALLINGS 7.7]

Protocolo FireWire FireWire especifica un conjunto de protocolos de tres capas para estandarizar la forma en que el computador anfitrión interactúa con los periféricos a través del bus serie Capa de transacción: define un protocolo solicitud-respuesta que oculta a las aplicaciones los detalles de las capas inferiores [STALLINGS 7.7]

Protocolo FireWire: capa física
La capa física FireWire transforma los datos binarios en las señales eléctricas necesarias para diversos medios físicos Define velocidades de transmisión Especifica distintos medios de transmisión alternativos Conectores Propiedades físicas y de transmisión La capa física proporciona también el servicio de arbitraje que garantiza que sólo un dispositivo transmitirá datos por el bus en cada momento [STALLINGS 7.7]

Protocolo FireWire: arbitraje
La forma más simple de arbitraje se basa en la estructura tipo árbol de los nodos del bus La capa física incluye la lógica que permite que todos los dispositivos conectados se configuren para que: Un nodo sea designado como raíz del árbol Los otros nodos se organicen mediante relaciones padre-hijo El nodo raíz actúa como un árbitro central y procesa las solicitudes de acceso al bus Primero en llegar, primero en atenderse En caso de solicitudes simultáneas se cede el acceso al nodo de mayor prioridad natural La prioridad es mayor para los nodos más cercanos a la raíz A igual distancia, tiene prioridad aquel con el identificador menor [STALLINGS 7.7]

Por lo general, FireWire sigue una política de arbitraje equitativo para evitar que uno o más dispositivos de prioridad alta monopolicen el bus El tiempo de bus se organiza en intervalos de equidad Al comienzo de un intervalo, cada nodo activa un bit de autorización de arbitraje Durante el intervalo, cada nodo con el bit de autorización de arbitraje activo puede competir por el acceso al bus Cuando un nodo gana el acceso al bus desactiva su bit de autorización de arbitraje, por lo que no puede volver a competir por el acceso al bus durante el intervalo actual [STALLINGS 7.7]

El arbitraje equitativo se complementa con una política de arbitraje urgente Algunos dispositivos se pueden configurar para que tengan prioridad urgente Estos dispositivos pueden ganar el acceso al bus varias veces durante un mismo intervalo de equidad El número de accesos por parte de dispositivos de prioridad urgente se controla y limita de forma que, como máximo, hagan uso del 75% del tiempo de bus durante un intervalo En otras palabras, por cada paquete no urgente se pueden transmitir hasta tres paquetes urgentes [STALLINGS 7.7]

Protocolo FireWire: capa de enlace
La capa de enlace FireWire define la transmisión de los datos en forma de paquetes Se permiten dos tipos de transmisión Asíncrona Se transmite un único paquete de tamaño variable La transmisión se realiza a una dirección específica Se devuelve información de reconocimiento Isócrona Se transmite una secuencia de paquetes de tamaño fijo Los paquetes se transmiten a intervalos regulares Se utiliza un direccionamiento simplificado y no hay reconocimiento [STALLINGS 7.7]

Protocolo FireWire: transacciones asíncronas
La transmisión asíncrona se utiliza para datos que no necesitan una velocidad de transferencia fija Por defecto se usa el arbitraje equitativo Los dispositivos que necesitan más capacidad de bus o son exigentes con los retardos pueden usar arbitraje urgente En una transacción asíncrona típica, el proceso de enviar un paquete se denomina subacción [STALLINGS 7.7]

Una subacción consta de cinco periodos de tiempo 1. Secuencia de arbitraje: es el intercambio de señales necesario para ceder el control del bus a un dispositivo 2. Transmisión de paquete Cabecera: incluida en todos los paquetes Identificadores de la fuente y el destino Tipo de paquete y parámetros específicos Código de redundancia cíclica (CRC) Bloque de datos: es opcional e incluye otro código CRC [STALLINGS 7.7]

Una subacción consta de cinco periodos de tiempo 3. Intervalo de reconocimiento: retardo necesario para que el destino reciba un paquete y genere el reconocimiento 4. Reconocimiento: el receptor devuelve un paquete de reconocimiento con un código que indica la acción realizada por el receptor 5. Intervalo de subacción: periodo forzoso de inactividad para asegurar que ningún dispositivo empiece el arbitraje antes de que el paquete de reconocimiento se haya transmitido [STALLINGS 7.7]

En el momento en el que se envía un reconocimiento, el nodo que lo envía tiene el control del bus Dado que el intercambio es una interacción petición-respuesta, el nodo que responde puede transmitir inmediatamente el paquete de respuesta sin tener que realizar una secuencia de arbitraje [STALLINGS 7.7]

Protocolo FireWire: transacciones isócronas
La transmisión isócrona se utiliza con los dispositivos que generan o consumen datos de manera regular (sonido o video digital…) Este método asegura que los datos pueden generarse dentro de unos intervalos especificados para garantizar cierta velocidad [STALLINGS 7.7]

Los paquetes isócronos se etiquetan con números de canal de 8 bits que se asignan previamente mediante un diálogo entre los dos nodos que intercambian datos La cabecera de los paquetes isócronos es más corta que la de los paquetes asíncronos e incluye Un campo de longitud de datos Un código CRC para la cabecera [STALLINGS 7.7]

Para permitir una carga mixta de tráfico de datos isócronos y asíncronos, uno de los dispositivos debe designarse como maestro de ciclo Periódicamente, el maestro genera un paquete de comienzo de ciclo para indicar a los otros dispositivos el comienzo de un ciclo isócrono Durante este ciclo sólo se pueden enviar paquetes isócronos Las distintas fuentes isócronas conectadas compiten por el acceso al bus y el ganador transmite un paquete [STALLINGS 7.7]

Para permitir una carga mixta de tráfico de datos isócronos y asíncronos, uno de los dispositivos debe designarse como maestro de ciclo No existe reconocimiento para los paquetes enviados, por lo que las otras fuentes isócronas compiten por el acceso al bus inmediatamente después de la transmisión del paquete Debido a esto, hay un pequeño intervalo, determinado por los retardos del bus, entre la transmisión de un paquete y el periodo de arbitraje del siguiente (intervalo isócrono) [STALLINGS 7.7]

Para permitir una carga mixta de tráfico de datos isócronos y asíncronos, uno de los dispositivos debe designarse como maestro de ciclo El intervalo isócrono será siempre menor que el de subacción Una vez que todas las fuentes isócronas han transmitido, el bus permanecerá inactivo el tiempo suficiente para que se produzca un intervalo de subacción Esta es la señal para que las fuentes asíncronas compitan por acceder al bus hasta que comience el siguiente ciclo isócrono [STALLINGS 7.7]

InfiniBand InfiniBand es una especificación de E/S orientada a los servidores de gama alta que tenía por objetivo sustituir a PCI en ese mercado Más capacidad Más posibilidades de expansión Más flexibilidad para el diseño de equipos El estándar InfiniBand describe la arquitectura y las especificaciones para el flujo de datos entre procesadores y dispositivos de E/S inteligentes [STALLINGS 7.7]

InfiniBand InfiniBand permite que servidores, equipos de almacenamiento remoto y otros dispositivos de red se puedan conectar a través de un sistema de conmutadores (switch fabric) y enlaces Esta arquitectura puede conectar hasta dispositivos No es necesario que el hardware de interfaz de E/S se encuentre dentro del chasis del servidor Los servidores pueden hacerse más compactos Aumenta la flexibilidad y escalabilidad de los centros de cálculo La velocidad de transmisión puede alcanzar los 30Gbps y la distancia entre dispositivos puede ser incluso de kilómetros [STALLINGS 7.7]

InfiniBand: arquitectura
En lugar de un conjunto de ranuras PCI, un servidor necesita una interfaz con un HCA (Host Channel Adapter) que conecta el servidor a un conmutador InfiniBand El HCA se conecta al servidor a través de un controlador de memoria El HCA lee y escribe en memoria por medio de DMA [STALLINGS 7.7]

El controlador de memoria gestiona el bus del sistema Controla el tráfico entre el procesador y la memoria Controla el tráfico entre el HCA y la memoria Los sistemas de almacenamiento y el resto de dispositivos se conectan a un conmutador InfiniBand por medio de un TCA (Target Channel Adapter) [STALLINGS 7.7]

Los adaptadores HCA y TCA son dispositivos inteligentes que gestionan todas las funciones de E/S sin necesidad de interrumpir al procesador del servidor Los servidores y los dispositivos se comunican con el conmutador de InfiniBand a través de ellos Para añadir nuevos dispositivos al sistema basta con conectar sus adaptadores al conmutador [STALLINGS 7.7]

El conmutador InfiniBand proporciona conexiones físicas punto-a-punto a un conjunto diverso de dispositivos y conmuta el tráfico entre enlaces La lógica del conmutador gestiona las comunicaciones sin interrumpir a los servidores La detección de nuevos dispositivos y la asignación de direcciones lógicas se realiza de forma transparente [STALLINGS 7.7]

El conmutador de InfiniBand abre temporalmente los canales entre el procesador y los dispositivos con los que se está comunicando Los dispositivos no tienen que compartir la capacidad del canal, por lo que no hay necesidad de procedimientos de arbitraje adicionales entre dispositivos [STALLINGS 7.7]

Los enlaces conectan a un conmutador y a un adaptador HCA/TCA o a dos conmutadores El encaminador conecta subredes InfiniBand o conecta un conmutador InfiniBand a una red de área local, de área amplia o de dispositivos de almacenamiento [STALLINGS 7.7]

Una subred consiste en uno o más conmutadores interconectados más los enlaces que los conectan a otros dispositivos Los administradores de sistemas pueden confinar las transmisiones de uno a muchos (multicast) y de uno a todos (broadcast) dentro de una subred [STALLINGS 7.7]

InfiniBand: funcionamiento
Cada enlace físico entre un conmutador y un adaptador HCA o TCA conectado a él puede incluir hasta 16 canales lógicos denominados líneas virtuales Una línea se reserva para la gestión del conmutador Las otras líneas se reservan para la transmisión de datos Los datos se envían en forma de secuencia de paquetes, conteniendo cada paquete: Información de direccionamiento Información de control Una parte del volumen de datos a transmitir [STALLINGS 7.7]

La transferencia de datos se gestiona mediante los correspondientes protocolos de comunicación Una línea virtual se dedica temporalmente a transferir los datos desde un nodo a otro a través del conmutador InfiniBand El conmutador asigna el tráfico que llega a través de una línea a alguna de las líneas de salida según el camino que deben seguir los datos entre los nodos que se comunican [STALLINGS 7.7]

La arquitectura lógica del protocolo tiene cuatro capas Física: define el medio físico de transmisión (cobre, fibra óptica…) y la velocidad de conexión (1X, 4X ó 12X) Enlace: abarca tres elementos Definición de la estructura básica de los paquetes utilizados para intercambiar datos, incluyendo un código de detección de error para proporcionar fiabilidad Esquema para asignar una única dirección de enlace a cada dispositivo de una subred Lógica para configurar las líneas virtuales para la conmutación de los datos entre origen y destino a través de los conmutadores Red: encamina los paquetes entre subredes diferentes Transporte: proporciona un mecanismo de fiabilidad para las transferencias punto-a-punto a través de una o más subredes [STALLINGS 7.7]

Algunos dispositivos pueden enviar datos más rápido de lo que pueden ser recibidos en el destino Para solucionarlo, en los extremos de cada enlace existe una pareja de colas (envío y recepción) que almacenan el exceso de datos de salida y de entrada [STALLINGS 7.7]

Cada línea virtual utiliza una pareja de colas diferente Las colas pueden situarse en el adaptador o en la memoria del dispositivo conectado al adaptador Las transacciones que el computador envía a su cola de envío o de recepción se denominan WQE (Work Queue Entry) [STALLINGS 7.7]

Los dos WQE más importantes son las transacciones SEND (enviar) y RECEIVE (recibir) En una transacción SEND el WQE especifica un bloque de datos en el espacio de memoria que es el que hay que enviar al destino [STALLINGS 7.7]

Los dos WQE más importantes son las transacciones SEND (enviar) y RECEIVE (recibir) En una transacción RECEIVE el WQE especifica la ubicación donde hay que colocar los datos que se reciban desde otro dispositivo [STALLINGS 7.7]

El adaptador procesa cada WQE enviado según el orden de prioridad establecido y genera un CQE (Completion Queue Entry) para almacenarlo en la cola de trabajos concluidos El CQE indica al servidor el estado del trabajo finalizado [STALLINGS 7.7]

Bibliografía The indispensable PC hardware book
[MESSMER] The indispensable PC hardware book Hans-Peter Messmer Pearson Education – Addison-Wesley, 2002 (4ª edición) [STALLINGS] Organización y arquitectura de computadores William Stallings Pearson Education – Prentice Hall, 2005 (7ª edición)

3. Interfaces externas de propósito general

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