Карты PCMCIA: интерфейсы PC Card, CardBus

В начале 90-х годов организация PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association — Международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров) начала работы по стандартизации шин расширения блокнотных компьютеров, в первую очередь предназначенных для расширения памяти. Первым появился стандарт PCMCIA Standard Release 1.0/JEIDA 4.0 (июнь 1990 года), в котором был описан 68-контактный интерфейсный разъем и два типоразмера карт: Type I и Type II PC Card. Поначалу стандарт касался электрических и физических требований только для карт памяти. Был введен метаформат информационной структуры карты CIS (Card Information Structure), в которой описываются характеристики и возможности карты, — ключевой элемент взаимозаменяемости карт и обеспечения механизма PnP.

Следующая версия PCMCIA 2.0 (1991 год) для того же разъема определила интерфейс операций ввода-вывода, двойное питание для карт памяти, а также методики тестирования. В версии 2.01 были добавлены спецификация PC CardATA, новый типоразмер Type III, спецификация автоиндексируемой массовой памяти AIMS (Auto-Indexing Mass Storage) и начальный вариант сервисной спецификации (Card Services Specification). В версии 2.1 (1994 год) расширили спецификации сервисов карт и сокетов (Card and Socket Services Specificaiton) и развили структуру CIS.

Стандарт PC Card (1995 год) явился продолжением предыдущих; в нем введены дополнительные требования для улучшения совместимости и новые возможности: питание 3,3 В, поддержка DMA, а также 32-битной шины PCI — CardBus. В дальнейшем в стандарт были введены и другие дополнительные возможности.

Все карты PCMCIA и PC Card имеют 68-контактный разъем, назначение контактов у которого варьирует в зависимости от типа интерфейса карты. Тип интерфейса «заказывается» картой при установке ее в слот, который, естественно, должен поддерживать требуемый интерфейс. Интерфейс памяти обеспечивает 8- и 16-битные обращения с минимальным временем цикла 100 нс, что дает максимальную производительность 10 и 20 Мбайт/с соответственно. Интерфейс ввода-вывода имеет минимальную длительность цикла 255 нс, что соответствует 3,92/7,84 Мбайт/с для 8-/16-битных обращений. Интерфейс CardBus поддерживает протокол обмена PCI; тактовая частота 33 МГц, разрядность 32 бита. Здесь используется та же система автоматического конфигурирования, что и в PCI (через регистры конфигурационного пространства). В интерфейс заложены дополнительные возможности для цифровой передачи аудиосигнала, причем как в традиционной форме ИКМ (PCM), так и в новой (забытой старой) форме ШИМ (PWM). Для дисковых устройств ATA в формате PC Card имеется специальная спецификация интерфейса.

Существует несколько конструктивных типов PC Card: у них у всех размер в плане 54×85,5 мм, но разная толщина (меньшие адаптеры встают в большие гнезда):

• PC Card Type I — 3,3 мм — карты памяти;
• PC Card Type II — 5 мм — карты устройств ввода-вывода, модемы, адаптеры локальных сетей;
• PC Card Type III — 10,5 мм — дисковые устройства хранения;
• PC Card Type IV — 16 мм.

Есть еще и маленькие карты Small PC Card размером 45×42,8 мм с тем же коннектором и теми же типами по толщине.

Большинство карт PC Card выпускается с поддержкой технологии PnP и предусматривает «горячее» подключение — интерфейсные карты могут вставляться и выниматься без выключения компьютера. Для этого контакты шин питания имеют большую длину, чем сигнальные, обеспечивая их упреждающее подключение и запаздывающее отключение. Два контакта обнаружения карты CD1# и CD2# (Card Detect) короче остальных — их замыкание для хоста означает, что карта полностью вставлена в слот. Несмотря на возможность динамического конфигурирования, в некоторых случаях при изменении конфигурации требуется перезагрузка системы.

Первоначально карты и хост-системы использовали напряжение питания логики +5 В. Для перехода на низковольтное питание (3,3 В) был введен механический ключ, не допускающий установки карты на 3,3 В в слот, дающий только 5 В. Кроме того, были определены контакты 43 (VS1#) и 57 (VS2#) для выбора питающего напряжения. На картах с питанием 5 В они оба свободны; на картах 3,3 В контакт VS1# заземлен, а VS2# свободен. По этим линиям хост, допускающий оба варианта напряжения питания, определяет потребности установленной карты и подает соответствующее напряжение. Если хост не способен обеспечить требуемый номинал, он должен не подавать питание, а выдать сообщение об ошибке подключения. Карты обычно поддерживают управление энергопотреблением (APM), что особо актуально при автономном питании компьютера.

В стандарте PC Card выпускают самые разнообразные устройства — память, устройства хранения, коммуникационные средства, интерфейсные порты, игровые адаптеры, мультимедийные устройства и т. п., правда, все они существенно дороже своих крупногабаритных аналогов. Через слот PC Card портативные компьютеры могут подключаться к док-станциям, в которые может быть установлена обычная периферия. Недостаточно строгое следование производителей стандарту иногда приводит к проблемам совместимости.

Слоты PC Card подключаются к системной шине блокнотного ПК через мост; для компьютеров с внутренней шиной PCI это будет мост PCI–PC Card. В блокнотных ПК могут быть и слоты Small PCI (SPCI, см. выше), но они недоступны без вскрытия корпуса и не допускают «горячей» замены устройств.

Настольный ПК можно снабдить слотами PC Card с помощью специальной карты адаптера-моста, устанавливаемой в слот PCI или ISA. Сами слоты PC Card(1–2 штуки) оформляются в корпус трехдюймового устройства и выводятся на лицевую панель ПК; этот корпус соединяется с картой-мостом ленточным кабелем-шлейфом.

 

Таблица. Разъем PC Card (PCMCIA)

 

 

Таблица. Назначение сигналов карт памяти и ввода-вывода

Продолжение таблицы

 

Интерфейс карт памяти и ввода-вывода прост — он практически совпадает с интерфейсом статической асинхронной памяти. Карта выбирается сигналами CE#, действующими одновременно с установленным адресом. Чтение памяти и конфигурационных регистров выполняется по сигналу OE#, запись — по сигналу WE#. Признаком, разделяющим в этих обращениях основную память и конфигурационные регистры, принадлежащие области памяти атрибутов карты, является сигнал REG#, действующий одновременно с CE# и адресом. Для обращения к портам ввода-вывода служат отдельные сигналы IORD# и IOWR#; во время их действия должен быть активен и сигнал REG#. В процессе обращения к портам карта может выдать признак возможности 16-битных обращений сигналом IOSC16# (как на шине ISA). Чтение порта устройство должно подтверждать сигналом INPACK#, устанавливаемым и снимаемым картой по сигналу CE#. Благодаря этому сигналу хост может убедиться в том, что он читает не пустой слот.

Для мультимедийных карт имеется возможность переключения интерфейса в специальный режим ZV Port (Zoomed Video), в котором организуется отдельный двухточечный интерфейс передачи данных между картой и хост-системой. По смыслу интерфейс напоминает коннектор VFC графических карт — выделенная шина для передачи видеоданных, не связанная с остальными шинами (и не загружающая их), но имеет иной протокол. В режиме ZV Port адресные линии A[25:4], а также линии BVD2/SPKR#, INPACK# и I0IS16# получают иное назначение — по ним передаются видеоданные и 4 цифровых аудиоканала. Для обычного интерфейса остаются лишь 4 адресные линии, позволяющие адресоваться к 16 байтам общей памяти и атрибутов карты.

Интерфейс порта ZV соответствует временным диаграммам CCIR601, что позволяет декодеру NTSC в реальном времени доставлять видеоданные с карты в экранный буфер VGA. Видеоданные могут поступать на карту как с внешнего видеовхода, так и с декодера MPEG.

Карты имеют специальное выделенное пространство памяти атрибутов, в котором находятся конфигурационные и управляющие регистры карты, предназначенные для автоконфигурирования. Стандартом описан формат информационной структуры карты (Card Information Structure, CIS). Карты могут быть многофункциональными (например, комбинация модема и сетевого адаптера). В спецификации MFPC (Multiple Function PC Cards) для каждой функции предусматриваются отдельные конфигурационные регистры и определяются правила разделения (совместного использования) линии запроса прерывания.

Для устройств внешней памяти стандарт описывает форматы хранения данных, совместимые с FAT MS-DOS, а также ориентированные на флэш-память как основной носитель информации. Для непосредственного исполнения модулей ПО, хранящихся в ПЗУ карты, имеется спецификация XIP (eXecute In Place), описывающая программный интерфейс вызова этих модулей (вместо загрузки ПО в ОЗУ).

Стандарт описывает программный интерфейс сервисов карт (Card Services), обеспечивающий унификацию взаимодействия его клиентов (драйверов, прикладного ПО и утилит) с устройствами. Имеется также и интерфейс сервисов сокета (Socket Services), с помощью которого выполняются операции, связанные с обнаружением фактов подключения-отключения карт, их идентификации, конфигурирования питания и аппаратного интерфейса.

В стандарте имеются описания специфических особенностей, свойственных двум организациям, ведущим стандарт PC Card:

• PCMCIA описывает автоиндексируемую массовую память (AIMS) для хранения больших массивов данных (изображений, мультимедийных данных) на блочно-ориентированных устройствах. Имеется также спецификация 15-контактного экранированного разъема для подключения модемов и адаптеров локальной сети (15-pin Shielded Modem I/O connector) и 7-контактного для подключения модемов (7-pin Modem I/O connector);
• JEDIA для карт памяти предлагает формат файлов Small Block Flash Format, упрощающий файловую систему. Формат SISRIF (Still Image, Sound and Related Information Format) предназначен для записи изображений и звука на карты памяти. Имеется и спецификация для карт динамической памяти.

Конструктивы Small PCI и Mini PCI

Small PCI (SPCI) — спецификация PCI в миниатюрном исполнении, прежде называвшаяся SFF PCI (Small Form-Factor). Эта спецификация, предназначенная в основном для портативных компьютеров, логически совпадает с обычной шиной PCI, разрядность 32 бита, частота 33/66 МГц. В дополнение к обычному набору сигналов появился новый CLKRUN#, с помощью которого хост и устройства могут управлять частотой синхронизации в интересах энергосбережения. Благодаря уменьшению размеров (длины проводников) понижены требования к мощности формирователей сигналов PCI. По размерам карты SPCI Style A и Style B совпадают с PC Card и Card Bus Type II и III соответственно, но специальные ключи предотвращают ошибки подключения. Карты SPCI могут быть трех видов: с питанием 5 В, 3,3 В и универсальные 5/3,3 В; ошибочная установка предотвращается механическими ключами — прорезями в направляющих на карте и выступами в направляющих сокета (рис. 6.2). Для подключения карт SPCI на системной плате устанавливается двухрядный 108-контактный штырьковый разъем (табл. 6.7) с шагом контактов 0,8 мм по горизонтали и 1 мм между рядами. На карте, соответственно, имеется ответная часть (гнезда с тем же шагом). На противоположной стороне карты для периферийных интерфейсов предусматривается два варианта разъемов (на рисунке они не показаны): аналогичный (гнезда с шагом 0,8×1 мм) или двусторонний печатный с шагом 2 мм. Периферийные цепи подключаются через ленточный кабель с соответствующим разъемом. В стандарте приводятся рекомендации назначения контактов периферийных разъемов для сетевых адаптеров (Ethernet, Token Ring) и графических адаптеров (интерфейс VGA). Шина SPCI является внутренней (карты расширения находятся под крышкой корпуса и устанавливаются изготовителем при выключенном питании) и поэтому не нацелена на замену Card Bus (шина для внешних подключений с возможностью «горячей» замены). Карты SPCI позволяют использовать преимущества модульных решений, обеспечивая высокую производительность обмена.

Mini PCI Specification — малогабаритный вариант карт расширения с шиной PCI, устанавливаемых внутрь блокнотного ПК изготовителем. Логически и электрически соответствует PCI 32 бит, частота 33/66 МГц. Основное питание и уровень сигналов — 3,3 В; питание +5 В для карты доступно, но с максимальным потребляемым током 100 мА; питание ±12 В не предусмотрено. Суммарная потребляемая мощность карты не должна превышать 2 Вт. На разъеме MiniPCI имеются дополнительные сигналы для подключения аудиокодека AC’97, аналоговых аудиосигналов, телефонной линии, интерфейса локальной сети, а также отдельная линия +5 В для питания аналоговых цепей. Назначение дополнительных сигналов Mini PCI приведено в следующей таблице. В отличие от карт Small PCI и PC Card (PCMCIA) карты Mini PCI не имеют защитного корпуса — их элементы открыты, как и на «больших» картах PCI. В спецификации имеется несколько вариантов конструктивных исполнений (Form Factor):

• Type IA и Type IB (рис. а) — для карт, устанавливаемых не у края корпуса компьютера. Системный разъем — штырьковый двухрядный стековый (штырьки контактов перпендикулярны плоскости платы). Кроме системного разъема на них могут устанавливаться внутренние малогабаритные разъемы для подключения к телефонной линии и локальной сети (в любых сочетаниях, но на штатных местах), а также альтернативный разъем ввода-вывода для иных применений. Карта имеет размер 46×70 мм, она крепится на трех крепежных площадках с отверстиями 3 мм. Толщина печатной платы не должна превышать 1 мм. Type IB отличается меньшей допустимой высотой компонентов;
• Type IIA и Type IIB (рис. б) — для карт, устанавливаемых у края корпуса компьютера. Здесь состав разъемов тот же, но плата увеличена до размера 46×78 мм (крепежные отверстия остались на прежних местах относительно системного разъема), а для подключения телефона и локальной сети предусмотрена установка гнезд RJ-11 и RJ-45 в экранированных корпусах. На карте Type IIA компоненты могут иметь большую высоту (до 13,5 мм) на большей части платы; на картах Type IIB такая высота допустима только для самих гнезд;
• Type IIIA и Type IIIB (рис. в) — для карт, устанавливаемых не у края корпуса компьютера. Здесь применен иной системный разъем — двусторонний печатный с шагом контактов 0,8 мм, толщина платы — 1 мм. На плате определено место для внутренних малогабаритных разъемов подключения к телефонной линии и локальной сети. Карта крепится направляющими разъема и фиксируется защелками в прорезях. Карты Type IIIA и Type IIIB различаются размером (60×51 мм и 60×44,6 мм соответственно).

 

Таблица. Назначение дополнительных цепей Mini PCI

Сигнал	Назначение
TIP, RING	Цепи телефонной линии
8PMJ-1… 8PMJ-8	Контакты разъема RJ-45 для подключения к локальной сети
LED1_GRNP, LED1_GRNN, LED2_YELP, LED2_YELN	Выводы светодиодных индикаторов разъема локальной сети (желтого и зеленого)
CHSGND	Заземление (корпус)
AC_SYNC, AC_SDATA_IN, AC_SDATA_OUT, AC_BIT_CLK, AC_CODEC_ID0#, AC_CODEC_ID1#, AC_RESET#	Сигналы связи с аудиокодеком AC’97 (AClink)
MOD_AUDIO_MON	Аудиомонитор модема
SYS_AUDIO_OUT, SYS_AUDIO_IN	Аудиосигнал для телефона
SYS_AUDIO_OUT_GND, SYS_AUDIO_IN_GND, AUDIO_GND	«Земля» для аудиосигналов
MPCIACT#	Дополнительный сигнал управления энергопотреблением: карта активна и требует для обслуживания максимальной производительности систе

 

Таблица. Назначение контактов разъема Mini PCI

Малогабаритные конструктивы с шиной PCI

Стандартный конструктив PCI для настольных PC/AT-совместимых компьютеров для ряда применений является слишком громоздким. Существуют более компактные варианты:

• Low-Profile PCI — низкопрофильный вариант карты PCI для системных плат AT/ATX. Эти карты имеют такой же краевой печатный разъем, как и обычные карты, но высота карты уменьшена до 64 мм и уменьшен размер крепежной скобки. Карты можно устанавливать вертикально (без переходника riser card) в низкопрофильные корпуса (например, 19-дюймового формата высотой 2U). Для установки этих карт в полноразмерные (настольные) корпуса на карте следует установить обычную крепежную скобку (в комплект поставки карты может входить дополнительная скобка). Для этих карт в спецификации предусматривается напряжение питания интерфейсных схем только 3,3 В, хотя часто встречаются формально (по ключам) 5-вольтовые низкопрофильные карты;
• малогабаритные конструктивы для блокнотных компьютеров (их параметры приведены в таблице):

                   -----для карт расширения, устанавливаемых пользователем без вскрытия компьютера (с возможностью «горячего» подключения), применяется конструктив PCMCIA, впоследствии переименованный в PC Card. В этом конструктиве возможны четыре различных варианта интерфейса (см. далее), одним из которых является CardBus — шина PCI 32 бит/33 МГц;

                   -----для комплектования компьютера изготовителем внутри компьютера (недоступно пользователю) применяются конструктивы Small PCI и Mini PCI.

	PC Card	Small PC Card	Express Card	Small PCI	Mini PCI Type I и II	Mini PCI Type III
Длина, мм	85,6	42,8	75	85,6	70/78	51/44,6
Ширина (по стороне с разъемом), мм	54,0	45,0	34/54	54,0	46	60
Толщина, мм	3,3/5,0/10,5	3,3/5,0/10,5	5	3,3/5,0/10,5	7,5/5,5/17,5	5
Коннектор	Штырьковый, 1,27×1,27 мм	Штырьковый, 1,27×1,27 мм	*	Штырьковый, 0,8×1 мм	Штырьковый, 0,8×1 мм	Печатный, 0,8 мм
Число контактов	68	68	26	108	100	124
Интерфейсы	Память, ввод-вывод, ATA, CardBus (PCI)	Память, ввод-вывод, ATA, CardBus (PCI)	PCI Express, USB 2.0	PCI	PCI, PCI-X	PCI, PCI-X

* -О конструкции разъема сведений нет, автору известно только название «beam on blade».

«Горячее» подключение устройств — Hot Plug

«Горячее» подключение-отключение устройств PCI (Hot Plug) требует наличия в системе специального контроллера (Hot-Plug Controller), управляющего слотами «горячего» подключения, и соответствующей программной поддержки — ОС, драйверов устройств и контроллера.

Слот с «горячим» подключением должен быть подключен к шине PCI через коммутирующие цепи, обеспечивающие:

• управляемую коммутацию (электронными ключами) всех сигнальных цепей PCI;
• управляемую подачу напряжения питания.

Контроллер «горячего» подключения должен обеспечивать для каждого своего слота:

• индивидуальное управление коммутацией сигналов и подачей питания;
• индивидуальное управление сигналом RST#;
• индивидуальную идентификацию состояния линий PRSNT[1:2]#, независимо от состояния слота (подключен или изолирован);
• индивидуальную идентификацию состояния линии M66EN, независимо от состояния слота (подключен или изолирован);
• индивидуальный индикатор «Внимание», сигнализирующий о состоянии питания слота (можно ли извлекать и устанавливать модуль). Индикатор управляется программно, сигнализируя пользователю и о проблемах, обнаруженных системой для устройства в данном слоте.

В «горячем» подключении участвует пользователь, который должен устанавливать (и извлекать) модули (карты расширения) только в слот с отключенным питанием (при этом сигналы слота отключены от шины). После установки модуля на него подается питание, затем через некоторое время на него подается сигнал RST#, и устройство приходит в исходное состояние. Только после этого коммутатор соединяет сигналы слота с шиной. Далее программная поддержка должна выполнить идентификацию и конфигурирование подключенного устройства. Дополнительные сложности возникают, если к шине, работающей на частоте 66 МГц, подключается модуль на 33 МГц. Поскольку тактовую частоту на шине можно менять только во время действия сигнала RST#, а подключаемое устройство работать на высокой частоте не может, подключение потребует выполнения сброса на шине PCI (с последующей инициализацией всех устройств). Перед отключением питания слота на него подается сигнал RST# и его сигналы отключаются от шины.