Párhuzamos kommunikáció

Átírás

1 Informatikai eszközök zikai alapjai Párhuzamos kommunikáció Enyingi Vera Atala Fizikus MSc. II. évfolyam március 18.

2 1. Általában a párhuzamos kommunikációról A párhuzamos kommunikáció során egy adatcsomagot több vezeték felhasználásával egyidej leg továbbítunk, és ezeket egymással szinkronizáljuk A párhuzamos adatátvitel története Az eredeti 8 bites párhuzamos csatlakozót az IBM fejlesztette ki 1981-ben a mátrixnyomtatókhoz, a gyorsabb adatátvitel reményében. Ez az egybites soros porttal szemben egyszerre tudott 8 bitet, azaz egyszerre egy bájtot átvinni. Ezt a bájtot úgynevezett "handshaking" jelekkel egészítették ki, amelyek mindegyike a saját vezetékén lett elküldve, így biztosítva a zökken mentes adatátvitelt. A legf bb hátránya ennek az els próbálkozásnak (aminek Standard Parallel Port, azaz SPP a neve) a kommunikáció egyirányúsága volt. Az ellentétes irányú kommunikáció (a nyomtató státusjelzése) csak egy pozitív vagy negatív töltés továbbítása volt bizonyos vezetékeken keresztül. Az els igazán használható kétirányú párhuzamos protokoll az ún. IEEE-1284 volt, amit 1994-ben hagytak jóvá. Ez sikeresen kijavította az addigi hátrányok egy részét: az els ezek közül abból adódott, hogy a párhuzamos perifériák nem ugyanazt a mechanikai interfészt használták, így a maximális áthidalható távolság 1,82 méter volt. Az új sztenderd a kábelre, csatlakozóra és a elektronikai interfészre is vonatkozott, így átjárhatóságot hozott létre a perifériák között. Így akár 9 méteren át megtartható az adatok sértetlensége, akár a legmagasabb bitrátán is. Ezen felül az új szabvány az igazi kétirányú kommunikációt is lehet vé tette, bár ebben igazi el rehaladást az EPP (Enhanced Parallel Port ) jelentett igazán. Az EPP adat ciklusokat használ, ami a kétirányú kommunikáción felül valós idej adatátvitelt tesz lehet vé a blokk transzferek, író és olvasó operációk keveredésének engedélyezésével. A sebesség is megnövekedett, hiszen míg eddig a párhuzamosítás szoftveres alapon történt, az EPP-ben már hardveres handshake található, ami akár 2 Mbps-os sebességet is lehet vé tesz. 1

3 1.1. ábra. IEEE-1284-es szabványú parallel printer port 1.2. A párhuzamos kommunikáció összehasonlítása a sorossal A legegyszer bben látható el ny a párhuzamos módszerben a sebesség: ugyanazon adatot, ugyanakkora órajel adóból párhuzamos adatátvitellel n-szer olyan gyorsan lehet továbbítani, mint sorossal (ahol n a párhuzamos erek száma). Azonban a több vezeték értelemszer en több pénzbe is kerül, és ahogy n a kábel hossza, úgy lesz egyre érzékenyebb a rendszer a pontos szinkronizációra. A párhuzamos adatátvitel során sok egyéb hatás is fellép, amelyek a rendszert lassíthatják, ronthatják a hatékonyságát: ilyen a párhuzamos erek közötti interferencia például: az ellenállás és kölcsönös indukció miatt romlik a sávszélesség, ami végs soron a bitráta romlásához vezet. Ezen felül n a zaj, így a jel-zaj-arány (SNR, signal to noise ratio) csökken. Ezek is okozzák a párhuzamos átvitelhez használt kábelek hosszának limitáltságát A párhuzamos adatátvitel fehasználási területei F leg a számítógépen belüli adatátvitelre, illetve közeli eszközök csatlakoztatására használják (nyomtatók: parallel printer port, stb.). 2

4 1.2. ábra. A soros és párhuzamos adatátvitel sematikus ábrája 2. Adatbuszok "A busz vagy sín (hosszabb elnevezéssel buszrendszer vagy sínrendszer) a számítógéparchitektúrákban a számítógép olyan, jól deniált része, alrendszere, amely lehet vé teszi adatok vagy tápfeszültségek továbbítását a számítógépen belül vagy számítógépek, illetve a számítógép és a perifériák között. Eltér en a pont-pont kapcsolattól, a busz logikailag összekapcsol több perifériát ugyanazt a vezetékrendszert használva. Minden buszhoz számos csatlakozó tartozik, amelyek lehet vé teszik a kártyák, egységek vagy kábelek elektromos csatlakoztatását." A számítógép alapvet en három f részre osztható: a CPU-ra (Central Processing Unit, központi feldolgozó egység), ami feldolgozza az adatokat, a memóriára, ami a feldolgozásra váró adatokat tárolja, illetve a perifériás eszközökre, amik a külvilággal való kapcsolatot létesítik. A buszok ezeket a részeket kötik össze. A hagyományosabb felépítés rendszereknél a CPU és a memória szorosan össze vannak kötve. Ezek általában szinkronban m ködnek, és azonos jelzési rendszerük van. Az ezeket összeköt busz az egyik jellemz je a rendszernek, és csak "system bus" (rendszer busz) néven említik. Lehetséges rögtön ehhez a buszhoz kapcsolni olyanokat, amik küls eszközökkel kommunikálnak. Ekkor azonban fontos arra gyelni, hogy ezek a lokális vagy kiterjesztett buszok ne zavarják meg az eredeti CPU-memória rendszer sebességét. Erre két f megoldás létezik: az egyik a CPU-nak egy második csatlakozósora, ami képes más 3

5 sebességet használni más protokollal, a másik pedig olyan irányítók használata, amik az adatokat közvetlenül a memóriába írják. Azonban a küls eszközök számának gyarapodásával ezek a módszerek nem bizonyultak praktikusnak, így buszrendszereket alakítottak ki, amik több perifériás eszközt tudnak kezelni. Ennek az egyik példája a SATA (Serial ATA, ATA: AT Attachment, AT: Advanced Technology), amit merevlemezek csatlakoztatására használnak, ez azonban drága, és felesleges pl. egy egér csatlakoztatásához. Erre fejlesztettek ki sok másik, olcsóbb technológiát, pl. az USB-t (Universal Serial Bus). Ma már a processzorokban beépített memória (cache) található, ami szükséges a megnövekedett sebesség követéséhez. Ekkor a küls memóriával olyan protokollokkal kommunikál a CPU, ami korábban perifériás eszközökre volt kifejlesztve, így a korábban bevezetett bels és küls busz fogalmak már nem egyértelm ek. A buszok lehetnek párhuzamosak, vagy sorosak. 3. Az IEEE-488 m szervezérl Az IEEE-488 (IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers ) az egyik legnépszer bb szabvány a m szerezés és vezérlés területén, amit egyszer ségének és rugalmasságának köszönhet. Ismert neve még: HP-IB (Hewlett Packard Interface Bus), GPIB (General Purpose Interface Bus ) ábra. Az IEEE-488 csatlakozója 3.1. Története Az els terveket 1965-ben készítette a Hewlett Packard (HP) mér eszközökhöz: innen származik a HP-IB elnevezés. Az akkori technológiával könnyen kezelhet volt akár TTL-ekkel is (tranzisztor-tranzisztor logika), mikroprocesszor nélkül. 4

6 A szabvány 1975-ben került elfogadásra IEEE-488/1975 -ös kóddal. Ekkor, és a három évvel kés bbi (1978-as: IEEE ) módosításkor a mechanikai-, elektronikusés alapvet protokoll-paramétereket állapították meg, de nem határozták meg a parancsok formátumát, vagy az átvitt adatokat ben bevezették a következ módosítást ("Standard Codes, Formats, Protocols, and Common Commands"), amit 1992-ben felülvizsgáltak. Ekkor született meg az IEEE-488.2, amiben szerepeltek például az alap szintaxis, formátum konvenciók, eszközfüggetlen parancsok, adatstruktúrák, hibaprotokollok. Azonban különleges, eszköz-specikus parancsok továbbra is változhattak gyártótól függ en. A HP és az Amerikai Légier felismerte ezt a problémát, és 1989-ben a HP kidolgozta a TML nyelvet, ami az SCPI (SCPI, Standard Commands for Programmable Instrumentation) el futára volt, utóbbi 1990-ben lett szabvány. amiben már szerepelnek a standard paracsok és programozható m szerezettség, ezáltal teljesen kompatibilissá és kongurálhatóvá válnak a különböz eszközök, így nem szükséges különböz parancsrendszer elsajátítása, és az eszközök könnyebben helyettesíthet k Jellemz k Az átvitel 8 bites, párhuzamos formában történik, 16 jel-éren (8 az adatátvitelre, 3 a "handshake"-re, 5 a busz kezelésre), illetve 8 föld vonalon. Half-duplex módon, azaz mindkét irányban engedélyezett a kommunikáció, azonban az egyszerre csak egy irányban történhet. A bináris kód "unipolar, non-returnto-zero" módszerrel továbbított, ami azt jelenti, hogy az 1-ek valamilyen szignikáns állapottal jellemezhet ek (általában pozitív feszültséggel), a 0-ák pedig egy másik szignikáns állapottal (általában 0 V feszültséggel), de nincsen más semleges, vagy nyugalmi helyzet. Ez nem egy önid zít jel, így külön szinkronizáció szükséges, hogy elkerüljük a "bit slip"-et. Az adatátvitel aszinkron, azaz nem használunk külön id zít jelet, viszont az adatok közé olyan információt helyezünk, ami jelzi, hol kezd dnek, és hol végz dnek az adatok. A GPIB egy pont-több pont kapcsolat (busz rendszer). A rendszer maximális átviteli sebessége 1 Mbyte/sec, a kábel maximális hossza 20 méter, két egység között maximálisan 2 méter. Minden eszköznek van egy 5 bites els dleges címe (0-tól 30-ig, azaz 31 lehetséges cím létezik). A szabvány összesen 15 eszköznek engedi egy zikai busz használatát. Lineáris, vagy csillag topológia alakítható ki vele. 5

7 3.2. ábra. A vonalak felosztása Az irányítás és az adatátvitel elválasztott funkciók: egy irányító eszköz kijelölhet eszközöket "hallgatónak", amik az adatokat felveszik (egyszerre több is lehet, ugyanazt az adatot fogadják), más eszközöket pedig "beszél nek", amik az adatokat a buszra töltik (ebb l egyszerre csak egy aktív lehet). A vezérl lehet hallgató, beszél, de nem kell feltétlenül részt venni az adatátvitelben. Egyszerre egy vezérl lehet aktív. Az eredeti protokoll szerint háromvezetékes ready-valid-accepted (kész-érvényes-elfogadott ) handshake-módszert használ. A három vonal: DAV (Data Available): beszél jelzése, érvényes adat a buszon NRFD (Not Ready For Data): hallgató(k) jelzése, még nem kész a következ adat/parancs fogadására 6

8 3.3. ábra. Önid zít jel 3.4. ábra. Jelfajták NDAC (No Data Accepted ): hallgató(k) jelzése, nem vették még a buszon lév adatot/parancsot Átvitel az NRFD hamis állapotánál indulhat meg, ekkor NDAC igaz szinten van. A beszél a buszra helyezi az adatot, majd DAV-ot aktiválja. Ez az állapot fenn kell maradjon addig, míg NDAC hamis szintre nem kerül. Ekkor a hallgatók vették az adatot, a beszél megszünteti a busz meghajtását. A hallgatók a feldolgozás végéig NRFD-t igaz szintre állítják, majd a feldolgozás végeztével hamisra, így indulhat a következ ciklus. 7

9 3.5. ábra. Lineáris és csillag topológia 4. Hivatkozások 3.6. ábra. Handshake ciklus Elektronikus m szerek, IEEE488 m szervezérl BUS-rendszer muszeroldal.hu/measurenotes/ieee488_busz.pdf WikiBooks - Communication Networks Networks/Parallel_vs_Serial B&B Electronics Parallel communication overview Learning-Center/All-White-Papers/Serial/Parallel-Communication-Overview. aspx 8

10 Yurcik, William J. "Serial and Parallel Transmission." Computer Sciences Encyclopedia.com. 15 Mar G html. History of GPIB pg/1/sn/n17:ictrl,n21:25/fmid/5995/ Wikipedia, IEEE Wikipédia és http: //en.wikipedia.org/wiki/bus_(computing) 9