апаратні інтерфейси

Інтерфейс (взаємодія) - це взаємозв'язок між компонентами і учасниками мікропроцесорної системи.

В мікропроцесорну систему входять: апаратне забезпечення, програмне забезпечення та людина. Тому виділяють наступні види інтерфейсів:

• апаратний інтерфейс;

• програмний інтерфейс;

• інтерфейс користувача.

Програмний інтерфейс забезпечується операційною системою (якщо така є). Найбільш поширеними інтерфейсами користувача є графічний інтерфейс (наприклад, робочий стіл PC з іконками або кнопки команд в редакторі Microsoft Office Word) і інтерфейс «джойстика», коли ми вибираємо необхідну нам команду, переміщаючись по меню (наприклад, мобільні телефони, програмовані контролери), що також є видом графічного інтерфейсу.

Апаратний інтерфейс являє собою систему шин, роз'ємів, узгоджувальних пристроїв, алгоритмів і протоколів, що забезпечують зв'язок всіх частин мікропроцесорної системи між собою. Від характеристик інтерфейсу залежить швидкодія і надійність системи.

У розгорнутих мікропроцесорних системах для розвантаження процесора апаратний інтерфейс забезпечується контролерами. Контролер - це спеціалізована мікросхема, призначена для виконання функцій контролю та управління. Контролер здійснює управління роботою пристрою, наприклад, жорстким диском, оперативною пам'яттю, клавіатурою і забезпечує взаємозв'язок цього пристрою з іншими учасниками МС.

Управління шинами здійснюють мости. У складних МС, наприклад, таких як персональний комп'ютер, центральне місце займає «чіпсет» (ChipSet) - набір мостів і контролерів. Чіпсет включає дві головні мікросхеми, які традиційно називають південний міст і північний міст (рисунок 1). Північний міст обслуговує системну шину, шину пам'яті, AGP (прискорений графічний порт) і є головним контролером комп'ютера. Південний міст обслуговує роботу із зовнішніми пристроями (шина PCI - шина введення / виводу для підключення периферійних пристроїв).

Малюнок 1 - Організації обміну даними в персональних комп'ютерах (РС)

Найбільш складна організація взаємодії процесора та зовнішніх пристроїв, що пов'язано з великим їх розмаїттям.

Паралельні інтерфейси характеризуються тим, що в них для передачі біт використовуються окремі сигнальні лінії, і біти передаються одночасно. Класичним паралельним інтерфейсом є LPT-порт.

Послідовний інтерфейс для передачі даних використовує одну сигнальну лінію, по якій інформаційні біти передаються один за одним послідовно.

Найпростішим послідовним інтерфейсом, які мають поширення як в PC, так і в промислових системах, є стандарт RS-232, який реалізується СОМ - портами. У промисловій автоматиці широко застосовується RS-485.

Шина USB (Universal Serial Bus - універсальна послідовна шина) забезпечує підключення до комп'ютера велику кількість різноманітних периферійних пристроїв, в тому числі мобільні телефони та побутову електроніку.

Перша специфікація інтерфейсу мала назву USB 1.0, в даний час використовується специфікація USB 2.0, сучасні пристрої інтерфейсом специфікації USB 3.0.

Стандарт USB 2.0 містить в собі чотири лінії: прийом і передача даних, харчування +5 В і корпус. На додаток до них USB 3.0 додає ще чотири лінії зв'язку (2 на прийом і дві на передачу) і корпус.

Шина USB має високу пропускну здатність (USB 2.0 забезпечує максимальну швидкість передачі інформації до 480 Мбіт / с, USB 3.0 - до 5,0 Гбіт / с) і забезпечує не тільки передачу даних, але і харчування малопотужних зовнішніх пристроїв (максимальна сила струму, споживаного пристроєм по лініях живлення шини USB, не повинна перевищувати 500 мА для USB 2.0 і 900 мА для USB 3.0), що дозволяє не використовувати зовнішніх джерел живлення.

Бездротові (wireless) інтерфейси дозволяють піти від кабелів зв'язку, що особливо актуально для малогабаритних пристроїв, за розміром і вагою порівнянних з кабелями. У бездротових інтерфейсів використовуються електромагнітні хвилі інфрачервоного (IrDA) і радіочастотного (Bluetooth, USB wireless) діапазонів.

Інфрачервоний інтерфейс IrDA дозволяє здійснювати бездротовий зв'язок між двома пристроями на відстані до 1 метра. Інфрачервона зв'язок - IR (Infra Red) Connection - безпечна для здоров'я, не створює перешкод в радіочастотному діапазоні і забезпечує конфіденційність передачі. ІК-промені не проходять через стіни, тому зона прийому обмежується невеликим, легко контрольованим простором.

Bluetooth (синій зуб) - радиоинтерфейс з низьким енергоспоживанням (потужність передавача всього близько 1 мВт) для організації персональних мереж, що забезпечує передачу даних в режимі реального часу на невеликі відстані. Кожен пристрій Bluetooth має радіопередавач і приймач, що працюють в діа¬пазоне частот 2,4 ГГц. Дальність дії радіоінтерфейсу складається близько 100 м - для покриття стандартного будинку.

Бездротовий USB (USB wireless) - радиоинтерфейс малої дальності з високою пропускною здатністю: 480 Мбіт / с на відстані до 3 метрів і 110 Мбіт / с на відстані до 10 метрів. Працює в діапазоні частот 3,1 - 10,6 ГГц.

Інтерфейс RS-232 (RS - recommended standard - рекомендований стандарт) з'єднує два пристрої - комп'ютер і пристрій передачі даних. Швидкість передачі - 115 Кбит / с (максимум), відстань передачі - 15 м (максимум), схема з'єднання - від точки до точки.

Сигнали цього інтерфейсу передаються перепадами напруги величиною (3 ... 15) В, тому довжина лінії зв'язку RS-232, як правило, обмежена відстанню в кілька метрів через низку перешкодостійкість. Найчастіше використовується в промисловому обладнанні, в персональному комп'ютері використовувався для підключення маніпулятора типу «миша», модему. Інтерфейс RS-232 принципово не дозволяє створювати мережі, так як з'єднує тільки 2 пристрої.

Малюнок 2 - Гніздо RS-232 типу DB9

Інтерфейс RS-485 - широко поширений високошвидкісний і перешкодостійкий промисловий послідовний інтерфейс двобічної передачі даних. Практично всі сучасні комп'ютери в промисловому виконанні, більшість датчиків і виконавчих пристроїв містять в своєму складі ту чи іншу реалізацію інтерфейсу RS-485.

Для передачі і прийому даних достатньо однієї скрученої пари провідників (кручена пари). Передача даних здійснюється за допомогою диференціальних сигналів (по одному дроту йде оригінальний сигнал, а по іншому - його інверсна копія.). Різниця напруг однієї полярності між провідниками означає логічну одиницю, різниця іншої полярності - нуль.

При наявності зовнішніх перешкод, наведення в сусідніх проводах однакові, і так як сигналом є різниця потенціалів в провідниках, рівень сигналу залишається незмінним. Це забезпечує високу стійкість і загальну довжину лінії зв'язку до 1 км (і більше з використанням спеціальних пристроїв - повторителей).

Інтерфейс RS-485 забезпечує обмін даними між декількома пристроями по одній двухпроводной лінії зв'язку в напівдуплексному режимі (Прийом і передача йдуть по одній парі проводів з поділом за часом). Широко використовується в промисловості при створенні АСУ ТП.

Ethernet (ether - ефір) - технологія передачі даних, яка використовується в більшості локальних комп'ютерних мереж. Цей інтерфейс базується на стандарті IEE 802.3. Якщо інтерфейс RS-485 можна розглядати за принципом «один до багатьох», то Ethernet працює за принципом «багато до багатьох».

Залежно від швидкості передачі даних і передавального середовища існує декілька варіантів:

• Ethernet - 10 Мбіт / с

• Швидкий (Fast) Ethernet - 100 Мбіт / с

• Гігабітний (Gigabit) Ethernet - 1 Гбіт / с

• 10-гігабітний Ethernet

В якості середовища використовується коаксіальний кабель, кручена пара (невисока вартість, висока стійкість) і оптоволоконний кабель (створення довших ліній і високошвидкісних каналів зв'язку).

Вита пара (twisted pair) - вид кабелю зв'язку, являє собою одну або кілька пар ізольованих провідників, скручених між собою і покритих пластиковою оболонкою.

Наприклад, кабель FTP (foiled twisted pair - кручена пара із загальним екраном з фольги і мідним провідником для відводу наведених струмів), 4 пари (solid), категорія 5e (рисунок 3). Кабель призначений для стаціонарної прокладки всередині будівель, споруд і експлуатації в структурованих кабельних системах. Розроблено для додатків, що працюють в частотному діапазоні з верхньою межею 100 МГц.

Малюнок 3 - Вита пара: 1 - Зовнішня оболонка, 2 - Екран-фольга, 3 - дренажний провід, 4 - Захисна плівка, 5 - Вита пара

На фізичному рівні протокол Ethernet реалізований у вигляді мережевих карт, вбудованих в мікропроцесорні системи, і концентраторів, що з'єднують системи один з одним.

На основі Ethernet будують промислові мережі (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink), які успішно конкурують з раніше розробленими мережами Profibus, DeviceNet, CANopen і ін.