ETLC2 - B4 23/05/2006 2006 DDC 1 Page 1 23/05/2006 - 1 ETLC2 - B4 - 2006 DDC Politecnico di Torino Facoltà dell’Informazione Modulo Elettronica delle telecomunicazioni II B Protocolli B4 – Esempi di protocolli seriali » Trasmissione seriale » Modulazioni e codifiche » Recupero del clock » Sincronismo » esempi 23/05/2006 - 2 ETLC2 - B4 - 2006 DDC Lezione B4 • Modulazioni e codifiche • Codifiche con embedded clock • Separazione dati/clock • Esempi di protocolli seriali – SPI – I2C – USB – Altri • Riferimenti nel testo – Collegamenti seriali 5.5 23/05/2006 - 3 ETLC2 - B4 - 2006 DDC Procolli seriali sincroni • Usano codifiche o modulazioni che permettono di estrarre o sincronizzare il clock dal segnale ricevuto – Transizioni in posizione fissa a ogni T BIT (portante) – Intervallo massimo tra le transizioni • Protocolli a carattere: – Sincronismo di carattere inserito con sequenze speciali – Il ricevitore deve riconosce queste sequenze per individuare la posizione dei caratteri • Protocolli a bit – Inizio del messaggio identificato con sequenze speciali – Il ricevitore deve riconosce queste sequenze per individuare l’inzio dei messaggi 23/05/2006 - 4 ETLC2 - B4 - 2006 DDC Protocollo sincrono • Come mantenere il sincronismo di bit ? • L’informazione temporale è associata alle transizioni – Codifiche con frequenza minima di transizioni – BxBy, o BxTy » Inserimento di bit aggiuntivi – Modulazioni con embedded clock – Modulazioni con portante sincrona • Come acquisire il sincronismo di bit ? – Preambolo noto • Operazioni di Clock Data Recovery (CDR) 23/05/2006 - 5 ETLC2 - B4 - 2006 DDC Scelta di codifica/modulazione • Banda occupata – Legata al numero di transizioni – Poche transizioni per periodo (max 2) • Minimo overhead di protocollo – Pochi bit aggiunti • No componente continua – Canale senza DC – Trasformatori, accoppiamenti C • (Complessità co-decodifica) 23/05/2006 - 6 ETLC2 - B4 - 2006 DDC Codifiche RZ • RZ: Return to Zero (unipolare) – Ogni simbolo inizia e finisce con 0 V (o altro livello fisso) – RZ-M: 1 rappresentato con impulso H (Mark) (RZ-S: 0 = H) • Nessuna transizione per sequenze costanti (0 per M) • Banda: max 2 transizioni/bit, quindi Fmax = BitRate
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23/05/2006 - 1 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Politecnico di TorinoFacoltà dell’Informazione
Modulo
Elettronica delle telecomunicazioni II
B Protocolli
B4 – Esempi di protocolli seriali» Trasmissione seriale» Modulazioni e codifiche» Recupero del clock» Sincronismo» esempi
23/05/2006 - 2 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Lezione B4
• Modulazioni e codifiche • Codifiche con embedded clock• Separazione dati/clock• Esempi di protocolli seriali
– SPI– I2C– USB– Altri
• Riferimenti nel testo– Collegamenti seriali 5.5
23/05/2006 - 3 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Procolli seriali sincroni
• Usano codifiche o modulazioni che permettono di estrarre o sincronizzare il clock dal segnale ricevuto
– Transizioni in posizione fissa a ogni TBIT (portante)– Intervallo massimo tra le transizioni
• Protocolli a carattere:– Sincronismo di carattere inserito con sequenze speciali – Il ricevitore deve riconosce queste sequenze per individuare
la posizione dei caratteri
• Protocolli a bit– Inizio del messaggio identificato con sequenze speciali– Il ricevitore deve riconosce queste sequenze per individuare
l’inzio dei messaggi
23/05/2006 - 4 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Protocollo sincrono
• Come mantenere il sincronismo di bit ?
• L’informazione temporale è associata alle transizioni– Codifiche con frequenza minima di transizioni– BxBy, o BxTy
» Inserimento di bit aggiuntivi– Modulazioni con embedded clock– Modulazioni con portante sincrona
• Come acquisire il sincronismo di bit ?– Preambolo noto
• Operazioni di Clock Data Recovery (CDR)
23/05/2006 - 5 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Scelta di codifica/modulazione
• Banda occupata– Legata al numero di transizioni– Poche transizioni per periodo (max 2)
• Minimo overhead di protocollo– Pochi bit aggiunti
• No componente continua– Canale senza DC– Trasformatori, accoppiamenti C
• (Complessità co-decodifica)
23/05/2006 - 6 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Codifiche RZ
• RZ: Return to Zero (unipolare)– Ogni simbolo inizia e finisce con 0 V (o altro livello fisso)– RZ-M: 1 rappresentato con impulso H (Mark) (RZ-S: 0 = H)
• Nessuna transizione per sequenze costanti (0 per M)
• Banda: max 2 transizioni/bit, quindi Fmax = BitRate
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Codifiche RZ ternarie
• RZ bipolare (ternario):– 1 rappresentato con impulso +V, – 0 rappresentato con impulso –V
• Presenza di transizioni anche per sequenze costanticodifica autosincronizzante (embedded clock)
• Banda: 2 transizioni/bit, quindi Fmax = BitRate
_ _ _ _RZ _ __| |_ _| |__| |_ _ _ __| |__
|_| |_| |_| |_| |_|
23/05/2006 - 8 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Codifiche NRZ
• NRZ: Not Return to Zero– Non è richiesto che ogni simbolo finisca con un livello fisso– NRZ-L: 1 rappresentato con stato H– NRZ-M: 1 rappresentato con transizione (NRZ-S: 0=trans)
• Nessuna transizione per sequenze costanti
• Banda: max 1 transizione/bit, Fmax = BitRate/2
23/05/2006 - 9 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
• NRZI: Not Return to Zero Inverting– Non è richiesto che ogni simbolo finisca con un livello fisso– 1: rappresentato con transizione– 0: rappresentato con stesso lo stato precedente
• manchester, MFM, M2FM• Codici BxBy e BxTy• Protocolli con Bit stuff• Modulazioni PSK• Modulazioni coerenti
• Esercitazione:– Separazione dati/clock, esempio PSK– Sincronizzazione e separazione con PLL
23/05/2006 - 22 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Lezione B3
• Sincronismo di bit, di carattere e di pacchetto• Collegamenti asincroni e sincroni• Modulazioni e codifiche • Codifiche con embedded clock• Separazione dati/clock• Esempi di protocolli seriali
– SPI– I2C– USB– Ethernet (T100)– PCI express
23/05/2006 - 23 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Procollo SPI
• Serial Peripheral Interface
• Comunicazioni processore – periferici (DSP-A/D, …)– Già prevista su molti dispositivi– Disponibile come IP
• Sincronizzazione di ciclo:– Clock unico a 10 MHz (o F scelta da utente)– Polarità definita dall’utente
• Unica catena o Chip Select multipli
• Formato messaggi– Definito da utente
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Procollo SPI
• Ogni dispositivo è uno Shift Register
• Quattro segnali– Clock– Chip Select– Data In– Data Out
• Il Master genera clock e CS
• Lo Slave viene selezionato da CS
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23/05/2006 - 25 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Procollo SPI
• Trasferimento di un byte
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Procollo SPI
• Configurazione con CS multipli
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Procollo SPI
• Dispositivi collegabili in cascata con unico CS
23/05/2006 - 28 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Procollo I2C
• Struttura multipunto (bus)
• Linee pilotate con Open Collector (OD)– L prevale su H, – Nessuna collisione
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Clock distribuito I2C
• Linea in wired-AND• Ogni dispositivo può prolungare lo stato L
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Formato caratteri I2C
• Transizioni dato solo con CLK in stato L
• Simboli di Start e Stop:– Start: DATA H->L con CLK alto – Stop: DATA L->H con CLK alto
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Allocazione canale I2C
• Fase di arbitrazione iniziale– Ogni modulo invia su DATA il proprio codice di priorità– Meccanismo per rivelare differenze locali/canale bit per bit
» In caso di differenza, il modulo si ritira– A causa del wired-AND, “vince” chi è più vicino a 000..0
23/05/2006 - 32 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Allocazione canale I2C: esempio
• Codice 1: 101ZZ; Codice 2: 10010– Il modulo 1 rileva la differenza e si ritira al CLK 3
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Procollo Ethernet
• 1973: prima versione Xerox (3 Mb/s)• 1981: 10 Mb/s su coassiale (RG8)• 1990: versione UTP• 1995: 100Base-T• 1998: 1000Base-X (ottica)• 2000: 1 Gb/s su UTP• 2004: 10GBase-T
• Nome: <velocità><base/broadband><supporto>
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Ethernet 10/100
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Segnali MLT - 3
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Soglie ricevitore
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Errori di guadagno e offset
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Effetto dell’equalizzatore
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PCI- express – livello fisico
• Collegamenti punto-punto, 2,5 Gb/s ( 10 Gb/s)• Full duplex (canali RX/TX separati)• Coppie differenziali LV, accoppiamento AC (lane)
– Ridotta EMI/EMC, basso consumo
• Ambiente trasmissivo ben controllato
• Codifica 8b/10b• Preenfasi per ridurre ISI• Modulare: possibile collegare più lane in parallelo
– Diversi connettori compatibili
• Interrupt e altri comandi diretti con messaggi
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PCI- express – connettori
• Possibile up-plugging(board N in connettore N+m)
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Specifiche driver PCI express
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De-enfasi driver PCI express
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Specifiche driver PCI express
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Specifiche ricevitore PCI express
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Specifiche ricevitore PCI express
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Specifiche ricevitore PCI express
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Diagrammi a occhio PCI express
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Interfaccia scheda PCI express
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Livello elettrico PCI express
• Linee differenziali terminate• Accoppiamento AC• Verifica continuamente la presenza del ricevitore
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Procollo USB
• Universal Serial Bus
• Topologia a stella (insieme di P-P)
• Segnali differenziali– Immunità ai disturbi di modo comune– Buone carateristiche EMC
• Tre velocità– 1.1: 1,5 e 12 Mb/s– 2.0: 480 Mb/s
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USB: il cavo
• Quattro conduttori, raccolti in due doppini:– Doppino attorcigliato per la trasmissione dati (D+ e D-);– Coppia per l’alimentazione
+Vcc e GND, Corrente max 500 mA
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USB - caratteristiche elettriche
• Lunghezza max 5 m
• Impedenza caratteristica Z0=90 Ω ± 15%;
• Attenuazione (max)– a 64KHz 0,08dB/metro; a 400MHz 5,8dB/per metro.
• Ritardo di Propagazione (max)– 26ns per full speed; 18ns per low speed
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USB – caratteristiche elettriche
• Segnale differenziale• Livelli uscita:
– stato L: Tra 0 V e 0.3 V;– stato H: Tra 2,8 V e 3,6 V.
• fronti di salita e di discesa da 4 ns a 20ns
• Alta Zi per isolare le periferiche spente
• Simboli speciali non diff: SE0, EOP, Reset, ..– Violazioni della codifica differenziale
• Stato di riposo IDLE
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Driver low-speed (1,5 Mb/s)
• lunghezza massima di 3 m.• Fronti di salita/discesa da 75 a 300 ns.
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Ricevitore USB
• Ricevitore con ingresso differenziale
• Sensibilità di almeno 200 mV
• Livelli driver da 0,8V a 2,5V
• Modo comune RX tra -0,5 V e 3,8 V.
• Receiver single-ended (con isteresi) per ciascuna linea, per identificare simboli particolari
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Terminazione del segnale I
• Il segnale usb è terminato da hub e periferiche.• Le periferiche ad alta velocità sono terminate con una
resistenza di pull-up sulla linea D+• Le periferiche a bassa velocità sono terminate con
una resistenza di pull-up sulla linea D-
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Start of Packet
• IDLE– Entrambe le linee L
• SOP (Start of Packet)
• HSSOP: analogo di SOP per HS.
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End of packet
• EOP (End of Packet)– entrambe i differenziali hanno una tensione inferiore a 0,8
V(SE0) per due bit-time seguiti dallo stato di IDLE.
• HSEOP: EOP per HS– Generato quando si passa da J/K per HS allo stato Idle.
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Segnale di Reset
• Segnale prolungato SE0
• Alla fine del Reset la periferica è collegata, ma non ancora indirizzata e configurata, alla catena USB.
• Generato dall’Host o dall’Hub per 10 ms.
• La porta che genera il Reset viene posta nello stato di disconnessione alla fine del segnale di Reset.
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Connessione e Disconnessione
• Connessione:segnale Idle con durata superiore a 2,5 µs;
• Disconnessione:SE0 superiore a 2,5 µs
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Livelli del Protocollo
• LIB (Livello Interfaccia al Bus): – componenti hardware che serializzano il pacchetto. – interfacce differenti tra host e periferica.
• LPL (Livello di Periferica Logica): – sull’host è costituito dal software USB – sulla periferica è la logica per trattare i flussi di controllo
• LF (Livello Funzionale): – software utilizzatore dell’host e dalla funzione vera e propria
della periferica.
.
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Tipi di pacchetti
• 3 tipi di pacchetti• Token;• Data;• Handshake
• Ogni pacchetto è diviso in campi di 8 bit (o multipli di 8) ciascuno.
• I bit vengono inviati sul bus dal bit meno significativo (LSB) al più significativo (MSB):
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Struttura dei pacchetti
• Campo SYNC– sequenza di 8 bit in low speed, 32bit in high-speed– sincronizza il clock del trasmettitore e del ricevitore.
• SOP (Start of packet) : – ultimi due bit del SYNC – marca l’inizio effettivo del pacchetto.
• PID: campo di 8 bit identificativo del tipo di pacchetto– 4 bit, complementati e ripetuti dopo la serie originaria
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Pacchetti TOKEN
• Emessi dall’host• Rappresentano i comandi per la rete USB.
SYNC | PID | ADDR | ENDP | CRC | EOP
• Il PID specifica tipo e sottotipo di pacchetto
• Esempi PID– Start Of Frame– In– Out
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Pacchetti DATA
• Pacchetti DATA
SYNC | PID | DATA | CRC | EOP
• Campo DATA:– Low speed: 8 byte, Full speed 1023 byte– high speed 1024 byte
• Pacchetti ACKNOWLEDGE
SYNC | PID | EOP– ACK, NACK, STALL
23/05/2006 - 66 ETLC2 - B4 - 2006 DDC
Tipi di Trasferimento dell’USB
• Quattro tipi di trasferimento di informazione:– Control– Interrupt– Bulk– Isocrono
• Ogni trasferimento sull’USB è sempre controllato dal PC host e ha luogo tra il software client dell’host e l’endpoint di un dispositivo.
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Trasferimento di Controllo
• Usato dal software dell’host per configurare un dispositivo quando viene connesso, per comunicare le informazioni e chiedere lo stato
• Trasferimenti in entrambe le direzioni
• Dati mantenuti da chi trasmette– se necessario si ripete la trasmissione finché non c’è alcun
errore
• Pacchetti di 8, 16, 32 o 64 byte– 8 bit per dispositivi a bassa velocità
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Trasferimenti di tipo Interrupt
• Usato per inviare dati in quantità modesta, intermittenti o non periodici (mouse, tastiera, …).
• Vincolo sul ritardo massimo per riconoscere la richiesta di un servizio da parte del periferico.
• Trasferimento sempre dal dispositivo all’host
• Avviati solo quando il controller dell’host da ok a un interrupt point e questo ha qualcosa da trasmettere
• La trasmissione si ripete sinchè non si è certi che sia andata a buon fine (Come per il control transfer)
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Trasferimenti Isocroni
• Caratterizzati da un flusso continuo di informazioni
• In presenza di richiesta, il controller dell’hostdetermina se c’è banda disponibile
– Se OK il dispositivo è accettato sul bus – Se non OK rimane nello stato di configurazione oppure
richiede meno banda.
• 90% della larghezza di banda allocabile a trasferimenti di tipo periodico (isocroni e interrupt)
• Massima efficienza:– 20 diverse transazioni utilizzano l’85% della banda– 1,28Mbps complessivi
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Trasferimenti di tipo Bulk
• Trasferimenti di grandi quantità di dati – Modo non continuo– Non ammettono la perdita di dati – Possono tollerare un ritardo variabile
• usato solo da dispositivi ad alta velocità
• I dati possono fluire in entrambe le direzioni, IN/ OUT
• In presenza di errori il bulk transfer viene ripetuto sinché non va a buon fine
• Accesso stabilito su base “as available” (quando è possibile)
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Sommario USB
• Topologia di connessione a stella gerarchica. • Ciascuna connessione è un punto-punto tra host e periferico• Segnali e alimentazioni su un cavo a 4 fili: due trasportano
segnale differenziale, gl altri due alimentazione• Sono previste due cadenze: 12 e 1,5 Mb/s, più 480 Mb/s per
USB2• Sincronismo di bit ottenuto con codifica NRZI con bit stuffing• prima di ogni pacchetto un campo SYNC permette il sincronismo
e il recupero del clock• Tutte le transazioni comprendono tre pacchetti• Il controller invia un pacchetto TOKEN con tipo, direzione,
indirizzo dello slave.• La sorgente invia i dati (o indica che non ci sono dati disponibili):
pacchetto DATA.• La destinazione conferma con un pacchetto di ACK.
