Интерфейсы ПУx - Высшая школа экономики

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Факультет информационных технологий и вычислительной техники
Программа дисциплины Интерфейсы периферийных устройств
для подготовки по специальности 230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и
сети».
Автор программы:
Тув А.Л., старший преподаватель кафедры ИКТ
Одобрена на заседании кафедры "Информационнокоммуникационные технологии"
«30»
августа
2012 г.
Зав. кафедрой ______________В.Н.Азаров
Рекомендована секцией УМС «Электроника»
«___»____________ 20 г.
Председатель __________________________
Утверждена УС факультета информационных технологий
и вычислительной техники
«___»_____________20 г.
Ученый секретарь________________________
Москва, 2012
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и
другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к знаниям и
умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов
и студентов специальности "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети", обучающихся
по специализации
«Информатика и вычислительная техника» изучающих дисциплину
«Интерфейсы периферийных устройств».
Программа разработана в соответствии с :
ГОС для направления подготовки дипломированного специалиста 654600 "Информатика и
вычислительная техника";
Образовательной программой специальности 230101.65 "Вычислительные машины, комплексы,
системы и сети".
Рабочим учебным планом университета по специальности 230101.65 «Вычислительные машины,
комплексы, системы и сети» специализации «Компьютерные мультисреды» и специализации
«Сетевые технологии», утвержденным в 2012г.
Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Интерфейсы периферийных устройств» является
освоение студентами стандартных типов обмена информацией
Изучение различных протоколов передачи информации между периферийными устройствами
ЭВМ.
Изучение студентами методов построения и типовых схемотехнических решений
электронных узлов и блоков современных электронно-вычислительных средств
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать:
 организацию и характеристики основных связных, внутриприборных и межприборных
интерфейсов, применяемых в настоящее время;
 основные методы проектирования средств сопряжения микропроцессорных систем с ЭВМ и
практически владеть этими методами;




уметь:
пользоваться методами анализа и синтеза аналоговых и цифровых устройств;
обоснованно использовать современную элементную базу при проектировании устройств
сопряжения;
иметь навыки:
экспериментального исследования спроектированных электронных устройств
программирования интерфейсов в составе МПС.
В результате освоения дисциплины студент осваивает следующие компетенции:
Компетенция
Код по
ФГОС
Дескрипторы – основные признаки
освоения (показатели достижения
результата)
Формы и методы обучения,
способствующие
формированию и развитию
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
компетенции
Способность к
самостоятельному
обучению новым
методам исследования,
к изменению научного
и научнопроизводственного
профиля своей
профессиональной
деятельности.
ОК-2
Применяет методы познания и знания,
полученные в ходе
освоения дисциплины, при построении
моделей своей
научно-исследовательской
деятельности, осваивает
концептуальные инварианты
реализации интерфейсов, оценивает
адекватность применения
различных методов, представляет
связи.
Самостоятельная работа,
практические занятия с
компонентом,
самостоятельное
моделирование
конкретных интерфейсов,
рефлексия степени
собственного освоения
методов изучения
интерфейсов.
Способность
использовать на
практике умения и
навыки в организации
исследовательских и
проектных работ
ОК-4
Применяет методы познания и
знания, полученные в ходе
освоения дисциплины, при построении
моделей своей научноисследовательской
деятельности.
Лекционные занятия,
семинарские занятия,
лабораторные занятия.
Способность осознать
основные проблемы
своей предметной
области,
определить методы и
средства их решения.
ПК-3
Умеет использовать методы решения
задач на определение оптимальных
соотношений параметров различных
систем
Лекционные занятия,
семинарские занятия,
лабораторные занятия.
Способность
осуществлять
проектную
деятельность в
профессиональной
сфере на основе
системного подхода
ПК-7
Способен в условиях развивающейся
науки к переоценке накопленного
опыта
Самостоятельная работа по
проектированию систем,
семинарские занятия,
лабораторные занятия.
Место дисциплины в структуре образовательной программы
Настоящая дисциплина относится к циклу профессиональных дисциплин и блоку дисциплин,
обеспечивающих специальную подготовку.
Для специализации «Информатика и вычислительная техника» настоящая дисциплина является
базовой.
Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах:
 «Электроника и электротехника»,
 «Схемотехника ЭВМ»,
 «Микропроцессорные системы»,
 «Программирование на языках высокого уровня».
Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими знаниями и
компетенциями:
Знать теоретические основы электроники и электротехники.
Обладать знаниями по схемотехнике ЭВМ.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
Уметь программировать микропроцессорные системы на языке Ассемблер и языках высокого
уровня.
Представлять организацию различных видов МПС
Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении
следующих дисциплин:
«Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ",
"Построение распределенных систем сбора и обработки информации».
Тематический план учебной дисциплины
№
Название раздела
Всего
часов
Аудиторные часы
Лекции
Самостоя
тельная
работа
Семина Практиче
ры
ские
занятия
1
Введение. Определения интерфейса,
стыка, протокола. Принципы организации
интерфейсов. Классификация
интерфейсов
7
2
2
3
2
Связные
интерфейсы.
интерфейс Centronics
Параллельный
7
2
2
3
3
Последовательный интерфейс RS – 232
Дифференциальные линии передачи
данных. Выигрыш в помехозащищенности
11
4
4
3
4
Внутриприборные интерфейсы.
Шины I2C,SPI
9
3
4
2
5
Беспроводные интерфейсы IrDa,
BlueTooth
6
2
2
2
6
Сложные последовательные интерфейсы.
USB
8
4
2
2
7
Интерфейс Fire Ware
6
2
2
2
8
Шина ISA
6
2
2
2
9
Шина PCI
7
2
2
3
10
Шина AGP
7
2
2
3
11
Шина SCSI
6
2
2
2
12
Интерфейс IDE
7
2
2
3
13
CAN протокол
6
2
2
2
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
14
Особенности передачи мультимедиа. I2S
формат
7
2
2
3
15
Интерфейс MOST
6
2
2
2
ИТОГО
108
Формы контроля знаний студентов
Тип контроля
Форма
контроля
1 год
1 сем
Текущий
(неделя)
Контроль
ная
работа
Промежуточный Зачет
2 год
2 сем
1 сем
Параметры **
2 сем
1
Письменная
работа 90 минут
1
Устный зачет
Экзамен
Итоговый
Экзамен
1
Устный экзамен
Критерии оценки знаний, навыков
Текущий контроль в 2 модуле предусматривает письменную контрольную работу по
лекционному материалу. Оценки по выставляются по 10-ти балльной шкале.
В ответе на контрольной работу студент должен продемонстрировать знание рассмотренных на
момент проведения контрольной работы в лекционном материале интерфейсов периферийных
устройств, главное отличительных особенностей логической организации, электрических уровнях
сигналов, частотных свойств.
Промежуточный контроль в 1 семестре – устный зачет, включающий 2 теоретических вопроса
по организации рассмотренных в семестре интерфейсов .
Итоговый контроль во 2 семестре –устный экзамен, включающий 2 теоретических вопроса,
охватывающих весь рассмотренный в течение 2х семестров материал + дополнительный вопрос по
результатам предыдущего собеседования.
Содержание дисциплины
Содержание разделов дисциплины.
Введение.
Определения интерфейса, стыка, протокола. Принципы организации интерфейсов. Классификация
интерфейсов. Параллельный и последовательный способы обмена информацией между
устройствами. Кодирование информации. Коды NRZ и RZ . Манчестерский код. Коды AMI.
Организация параллельного интерфейса на примере параллельного порта IBM PC. Логическая
организация. Электрическая организация. Уровни сигналов и быстродействие. Регистры
параллельного порта. Управляющий и статусный регистры. IEEE1284.Различия в способах
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
организации обмена по параллельному порту. Интерфейс Centronics. Двунаправленные режимы
обмена по параллельному порту. Режимы EPP и ECP. Последовательность согласований.
Особенности последовательных интерфейсов. Общие недостатки и достоинства.
Асинхронный режим обмена на примере последовательного порта компьютера. Необходимость в
стартовых и стоповых битах, их полярность. Метод кодирования NRZI. Понятие дифференциальной
линии передачи данных. Преимущества дифференциальной линии передачи.
Логическая и электрическая организация RS 232. Регистры последовательного порта.
Увеличение скорости обмена по последовательному порту. Интерфейсы RS 422 и RS485.
Увеличение количества устройств, работающих по последовательному интерфейсу в составе
системы. Конфликты в этих системах.
Последовательный синхронный и периферийный интерфейсы. Сходство и различия. Режимы
Master и Slave на примере однокристальных микроконтроллеров семейства PIC.
Шина I2C.
Логическая и электрическая организация. Процедуры START и STOP. Запись данных. Чтение
данных. Режимы Master и Slave.
Аппаратная реализация интерфейса. Встроенные в микроконтроллеры модули I2C.
Возможные коллизии на шине. Арбитраж шины. Мультимастерный режим функционирования
шины.
Шина SPI
Отличия данной шины от I2C. Максимальная тактовая частота . Формат передачи данных.
Возможные конфигурации системы. Использование протокола SPI при обмене данными с SD
Card .
Беспроводные интерфейсы IrDa и Bluetooth. Принципы передачи и приема информации.
Скоростные характеристики.
Шина USB. Электрический интерфейс. Организация. Модель передачи данных. Фреймы.
Типы передачи данных. Изохронная передача, передача по прерываниям, передача массивов.
Шина Fire Ware. Физический уровень сети. Протокол IEEE 1394. Использование шины Fire
Ware.
Шины ISA и EISA. Принципы построения. Скорость обмена информацией. Электрические
интерфейсы. Назначение контактов разъема
Шина PCI. Протокол шины. Таймеры, задержки и буферы. Команды шины и адресация.
Прерывания. Электрический интерфейс.Магистральный интерфейс AGP . Конвейеризация
обращений к памяти.
Спецификация AGP.
Интерфейс SCSI. Кабели, разъемы, сигналы, терминаторы. Типы периферийных устройств.
Адресация и система команд. Выполнение команд.
Интерфейс IDE. Электрический интерфейс. Регистры устройств. Адресация данных. Система
команд. Протоколы и режимы передачи данных. Пакетный интерфейс ATAPI.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
Современные промышленные протоколы. Интерфейс CAN. Организация. Формат сообщения.
Арбитраж. Разрешение конфликтов.
Современные интерфейсы передачи изображения и звука в реальном масштабе времени.
Интерфейсы передачи звука: Форматы I2S, Matsushita,Sony.
Совмещенный формат передачи изображения и звука MOST.
Образовательные технологии
Наибольшее внимание при изучении дисциплины должно уделяться вдумчивому и кропотливому
анализу лекций, а также выполнению практических работ по реализации предложенных
преподавателем интерфейсов периферийного оборудования.
Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента
Тематика заданий текущего контроля
Контрольная работа.
Указать логическую организацию, электрические и временные характеристики предложенного в
задании интефейса. Построить временные диаграммы, соответствующие указанному в задании
режиму обмена, если он возможен в данном интерфейсе, если нет, то указать причину .
Вопросы для оценки качества освоения дисциплины
Вопросы к экзамену.
Интерфейсы вычислительных систем. Общие положения. Способы подключения.
Электрические параметры интерфейсов. Обеспечение гальванической развязки.
Токовые интерфейсы. Интерфейсы с выходом по напряжению.
4. Интерфейс Rs 232( Контакты разъема и назначение сигналов)
5. Асинхронный формат передачи данных.
6. Электрические параметры Com порта.
7. Последовательные интерфейсы Rs 422 и Rs 485.
8. Обзор интерфейса USB.
9. Адресация устройств в USB.
10. Типы сообщений в USB.
11. Инициализация устройств в USB.
12. Стандартные дескрипторы устройства.
13. Электрические характеристики интерфейса SPI.
14. Интерфейс SPI. Режим мастера.
15. Интерфейс SPI. Режим Slave.
16. Интерфейс I2C. Состояния старт, стоп, повторный старт.
17. Запись данных ведомым в шине I2C.
18. Чтение данных ведомым в шине I2C.
19. Запись данных ведомых в шине I2C.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
20. Чтение данных ведомых в шине I2C.
21. Арбитраж и конкуренция в шине I2C.
22. Организация интерфейса CAN
.
23. Форматы сообщений интерфейса CAN.
24. Обнаружение ошибок в протоколе CAN.
25. Арбитраж и конкуренция в протоколе CAN.
26. Интерфейс Centronics
27. Режимы SPP и NibbleMode параллельного порта
28. Режим Byte Mode параллельного порта.
29. Режим ECP параллельного порта.
30. Режим EPP параллельного порта.
31.Последовательность согласований согласно IEEE 1284.
32.Электрические характеристики LPT порта.
33.Протокол работы шины ISA.
34.Организация прерываний в шине ISA.
35.Прямой доступ к памяти в интерфейсе ISA.
36. Обзор параметров интерфейса SCSI.
37. Организация интерфейса SCSI. Протокол шины SCSI.
38. Обзор параметров шины PCI
39. Протокол шины PCI
40. Адресация устройств PCI
41. Команды шины PCI.
42.Прерывания в интерфейсе PCI.
43. Эволюция интерфейса ATA.
44. Назначение контактов разъема IDЕ.
45. Прием и передача данных хостом в режиме PIO
Интерфейс Centronics.
Режимы SPP и NibbleMode параллельного порта.
Режим Byte Mode параллельного порта.
Режим ЕСР параллельного порта.
Режим ЕРР параллельного порта.
Последовательность согласований согласно IEEE 1284.
Электрические характеристики LPT порта.
8. Интерфейс Rs 232 (Контакты разъема и назначение сигналов).
9. Протокол интерфейса Rs 232.
10. Асинхронный формат передачи данных.
11. Электрические параметры Com порта IBM PC.
12. Последовательные интерфейсы Rs 422 и Rs 485.
13. Назначение контактов разъема и электрические параметры шины ISA.
14. Протокол работы шины ISA: классический обмен данными.
15. Протокол шины ISA: прямой достум к памяти.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
16. Организация прерываний в шине ISA.
Порядок формирования оценок по дисциплине
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.
Выставленный балл определяется демонстрацией знаний интерфейсов, их характеристик, режимов
работы портов, протоколов работы шин, правильным использованием известного теоретического
материала. Каждая практическая (лабораторная) работа оценивается в 10 баллов.
По курсу предусмотрены две контрольные работы, каждая оценивается в 10 баллов и в рабочую
ведомость выставляется среднее арифметическое этих оценок Ок\р , как формы текущего и
промежуточного контролей (возможно проведение контрольной работы во внеаудиторное время) и
контроль текущей работы в течение двух модулей. Студенты, не выполнившие контрольные
работы, к экзамену не допускаются, в экзаменационную ведомость проставляется оценка
неудовлетворительно.
Каждая практическая (лабораторная) работа оценивается в 10 баллов. В рабочую ведомость
преподавателя выставляется среднее арифметическое этих оценок – Олаб. работа
Результирующая оценка за текущий контроль учитывает результаты студента по текущему
контролю следующим образом:
Отекущий = 0,5·Ок/р + 0,5Олаб.. работа ;
Форма итогового контроля –
экзамен, к которому допускаются студенты, выполнившие
контрольные работы и лабораторные работы. Студенты, посетившие менее 70% аудиторных
занятий, получают на экзамене дополнительный вопрос.
Экзаменационная оценка, в свою очередь, складывается из пяти составляющих со следующими
весовыми множителями:
G1- за теоретический вопрос на знание определений – 20% экзаменационной оценки;
G2 -за легкий вопрос по теории – 10% экзаменационной оценки;
G3 -за вопрос на доказательство теорем – 40% экзаменационной оценки;
G4 - за легкую задачу – 10% экзаменационной оценки;
G5 - за трудную задачу – 20% экзаменационной оценки;
Экзаменационная оценка Q4 = 0.2G1 + 0.1G2 + 0.4G3 + 0.1G4 + 0.2G1
Результирующая оценка за итоговый контроль в форме экзамена выставляется по следующей
формуле, где Оэкзамен = Q4 – оценка за работу непосредственно на экзамене:
Оитоговый = 0,4Оэкзамен + 0,6·Отекущий
Полученный после округления этой величины до целого значения результат и выставляется как
результирующая оценка по 10-балльной шкале по учебной дисциплине « Интерфейсы
периферийных устройств» в экзаменационную ведомость (оценкам 1, 2, 3 соответствует оценка
«неудовлетворительно» оценкам 4, 5 – «удовлетворительно», оценкам 6, 7 – «хорошо», оценкам 8,
9, 10 – «отлично»).
На пересдаче студенту не предоставляется возможность получить дополнительный балл для
компенсации оценки за текущий контроль.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
На зачете студент может получить дополнительный вопрос (дополнительную практическую задачу,
решить к пересдаче домашнее задание), ответ на который оценивается в 1 балл.
На экзамене студент может получить дополнительный вопрос (дополнительную практическую
задачу, решить к пересдаче домашнее задание), ответ на который оценивается в 1 балл.
ВНИМАНИЕ: оценка за итоговый контроль блокирующая, при неудовлетворительной итоговой
оценке она равна результирующей.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Базовый учебник
Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. СПб. ПитерКом, 2001
Основная литература
Рекомендуемая литература
Основная литература
Гук М. Аппаратные средства IBM PC. СПб. ПитерКом., 2002
Столлингс В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем, Изд. 5, Пер. с англМ.: Издательский дом «Вильямс», 2002
Мюллер Ск. Модернизация и ремонт ПК. Пер. с англ. К.Диалектика, 1997
Мячев А.А Интерфейсы средств вычислительной техники Радио и связь, 1993
Хоровиц П, Хилл У. Искусство схемотехники Изд. 6 М. Мир, 2003
Дополнительная литература
Стандарт IEEE 1284 Избранные переводы текстов из Internet
http://dsioffe.narod.ru/stuff/ieee1284/ieee_1284.htm
Стандарт Rs232
http://mcu.ucoz.ru/publ/interfejsy/rs232/interfejs_posledovatelnoj_svjazi_rs_232/14-1-0-8
http://www.softelectro.ru/rs232.html
Стандарт SCSI
http://comp.ilc.edu.ru/assets/files/lection8/8.6_scsi.pdf
Стандарт Usb
USB 3.0 Specifications
www.usb.org
Справочники, словари, энциклопедии
Программные средства
Для успешного освоения дисциплины, студент использует следующие программные средства:
Инструментальная среда 8051 FLASH для стенда UNI-DS3 с целевым микроконтроллером
семейства MSC51.
Интегрированная среда отладки микроконтроллерных устройств MicroC PRO for 8051 от
MicroElectronika
Интегрированная среда отладки микроконтроллерных устройств на «системе-прототипе» multiRSC.
Пакет IAR Systems для разработки прикладного ПО микроконтроллеров семейства MSC51 на языке
Ассемблер.
Предустановленная ОС Windows NT
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины “ Интерфейсы периферийных устройств“ для подготовки по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».
Дистанционная поддержка дисциплины
Не предусмотрена
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лаборатория “Микропроцессоры” каф. ИКТ, ПЭВМ, МП стенды.
Универсальный лабораторный стенд для изучения однокристальных микроконтроллеров
UNI DS3
Платы целевого микроконтроллера AT89S253 (семейство MSC51).
Персональные ЭВМ, с обязательным наличием COM порта и USB .