Интерфейсы: основные элементы, режимы обмена, классификация в зависимости от способа передачи данных. Стандартный формат асинхронной последовательной передачи данных.

Объединение модулей микропроцессорного устройства в единую систему и взаимодействие микропроцессора с внешними устройствами происходит с помощью интерфейса.Интерфейс должен обеспечивать:1)простое и быстрое соединение данного устройства с любым другим, имеющим такой же интерфейс; 2) совместную работу устройств без ухудшения их технических характеристик; 3) высокую надежность.

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия функциональных различных компонентов в системах и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов.

Основными элементами интерфейса являются: 1) совокупность правил обмена информацией (временные диаграммы и диаграммы состояний сигналов интерфейса);

2) аппаратная реализация (контроллеры); 3) программное обеспечение интерфейса (драйверы).

Для любого интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три возможных режима обмена — дуплексный, полудуплексный и симплексный:1) Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в направлениях «туда» и «обратно» имеет существенно различающиеся значения, или симметричным.2) Полудуплексный режим позволяет передавать информацию «туда» и «обратно» поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. 3) Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении передаются только вспомогательные сигналы интерфейса).

В зависимости от способа передачи данных различают два вида интерфейса: последовательный и параллельный.

В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно (за один квант времени), то есть информация разворачивается в пространстве. Параллельный способ применяют в тех случаях, когда необходимо получить наивысшую пропускную способность канала передачи информации. Так как между отдельными проводниками шины для параллельной передачи данных существует электрическая емкость, то при изменении сигнала, передаваемого по одному из проводников, возникает помеха (короткий выброс напряжения) на других проводниках. С увеличением длины шины (увеличением емкости проводников) помехи возрастают и могут восприниматься приемником как сигналы. Поэтому рабочее расстояние для шины параллельной передачи данных ограничивается длиной 1-2 м, и только за счет существенного удорожания шины или снижения скорости передачи длину шины можно увеличить до 10-20 м

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты, передаются друг за другом последовательно, на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). При последовательной передачи информации разворачивается во времени. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи.

В последовательном канале асинхронный режим работы соответствует передаче всего массива информации без специальных сигналов синхронизации и пауз между словами, синхронный — с синхронизацией после передачи каждого слова, при этом возможна пауза любой длительности между моментами передачи.Пример стандартного последовательного интерфейса — RS-232 (COM-порты в IBM PC совместимых компьютерах).

Последовательный интерфейс подразделяют на синхронный и асинхронный.

В синхронном интерфейсе каждый передаваемый бит данных сопровождается импульсом синхронизации, информирующим приемник о наличии на линии информационного бита. Следовательно, между передатчиком и приемником должны быть протянуты минимум три провода: два для передачи импульсов синхронизации и бит данных, а также общий заземленный проводник. Если же передатчик (например, микропроцессор) и приемник (например, персональный компьютер) разнесены на несколько метров, то каждый из сигналов (информационный и синхронизирующий) придется посылать либо по экранированному кабелю, либо с помощью витой пары проводов, один из которых заземлен или передает сигнал, инверсный основному.

В асинхронном интерфейсе у передатчика и приемника нет общего генератора синхроимпульсов, и синхронизирующий сигнал не посылается вместе с данными. А для синхронизации процесса передачи данных используются внутренние встроенные генераторы, настроенные на одну частоту, и некий оговоренный двумя взаимодействующими сторонами формат передачи данных. Данный формат разработан еще в 70-х годах прошлого столетия поддерживается практически всеми микропроцессорными устройствами.

Стандартный формат последовательной асинхронной передачи данных содержит n пересылаемых бит информации (при пересылке символов n равно 7 или 8 битам) и 3-4 дополнительных бита: стартовый бит, бит контроля четности (или нечетности) и 1 или 2 стоповых бита. Бит четности (или нечетности) может отсутствовать.

17) Стандартные промышленные интерфейсы RS-232, I²C, RS-485.

Интерфейс RS-232. Этот широко используемый стандартный интерфейс обеспечивает работу стандартного оборудования передачи данных между модемами, терминалами и компьютерами. Электрически система основана на импульсах 12В, кодирующих последовательности "О" и "1". Механически этот стандарт определяет 9- и 25-контактные разъемы. Основные сигналы передаются по линиям "передача/прием" данных.

Остальные сигнальные линии передают статусную информацию коммутируемых устройств. Скорость передачи выбирается из диапазона от 50 до 38400 бод.

Шина I2C. Разработанная фирмой PhilipsшинаI2C("Inter-IntegratedCircuit"),— это двунаправленная асинхронная шина с последовательной передачей данных и возможностью адресации до 128 устройств. Физически шина I2C содержит две сигнальные линии, одна из которых (SCL) предназначена для передачи тактового сигнала, вторая (SDA) для обмена данными. Для управления линиями применяются выходные каскады с открытым коллектором, поэтому линии шины должны быть подтянуты к источнику питания +5В через резисторы сопротивлением 1...10 кОм, в зависимости от физической длины линий и скорости передачи данных. Длина соединительных линий в стандартном режиме может достигать 2-х метров, скорость передачи — до 100 кбит/с. Суммарная емкость линий должна быть не больше 400 пФ,

входная емкость на каждую ИС должна быть в пределах 5...10 пФ.

Отличительные особенности

- Двунаправленный обмен по двум линиям

- Высокая скорость обмена — до 100 кбит и выше

- Возможность адресации до 128 устройств

- Простота программной реализации "Master"-абонента

- Временная независимость процесса передачи

Данное введение является формальным описанием шины I2C и предназначено только для достаточно подробного ознакомления с целью самостоятельной реализации частных алгоритмов связи. Для получения более полной информации обращайтесь к соответствующей литературе фирмы Philips.

Все абоненты шины делятся на два класса — "Master" и "Slave".Устройство "Master" генерирует тактовый сигнал (SCL) и, как следствие, является ведущим. Оно может самостоятельно выходить на шину и адресовать любое "Slave" — устройство с целью передачи или приема информации. Все "Slave"-устройства "слушают" шину на предмет обнпружения собственного адреса и, распознав его, выполняют предписываемую операцию. Кроме того, возможен так называемый "Multi Master" — режим когда на шине установлено несколько "Master"-абонентов, которые либо совместно разделяют общие "Slave"-устройства, либо попеременно являются то "Master"-устройствами, когда сами инициируют обмен информацией, то "Slave", когда находятся в режиме ожидания обращения от другого "Master"-устройства. Режим "Multi Master" требует арбитража и распознавания конфликтов. Естественно, он сложнее в реализации (имеется ввиду программная реализации) и, как следствие, реже используется в реальных изделиях.

В начальный момент времени — в режиме ожидания — обе линии SCL и SDA находятся в состоянии логической единицы (транзистор выходного каскада с ОК закрыт). В режиме передачи бит данных SDA стробируется положительным импульсом SCL. Смена информации на линии SDA производится при нулевом состоянии линии SCL. "Slave"-устройство может "придерживать" линию SCL в нулевом состоянии, например, на время обработки очередного принятого байта, при этом "Master"-устройство обя-зано дождаться освобождения линии SCL, прежде чем продолжить передачу информации. Для синхронизации пакетов шины I2C различают два условия —"Start" и "Stop", ограничивающие начало и конец информационного пакета.

Для кодирования этих условий используется изменение состояния линии SCL, что недопустимо при передаче данных. "Start"-условие образуется при отрицательном перепаде линии SDA, когда линия SCL находится в единичном состоянии, и наоборот, 'Stop"-условие образуется при положи-тельном перепаде линии SDA при единичном состоянии линии SCL.

Передача данных начинается по первому положительному импульсу на линии SCL, которым стробируется старший бит первого информационного байта. Каждый информационный байт (8 битов) содержит 9 тактовых периодов линии SCL. В девятом такте устройство-получатель выдает подтверждение (ACK) — отрицательный импульс, свидетельствующий о "взаимопонимании" передатчика и получателя. Сразу отметим, что любой абонент шины, как "Master", так и "Slave" может в разные моменты времени быть как передатчиком, так и получателем и в соответствии с режимом обязан либо принимать, либо выдавать сигнал ACK, отсутствие которого интерпретируется как ошибка.

Чтобы начать операцию обмена устройство "Master" выдает на шину "Start"-условие, за которым следует байт с адресом "Slave"-устройства, состоящий из семибитового адреса устройства (занимает биты 1...7) и однобитового флага операции — "R/W" (бит 0) определяющего направление обмена, причем 0 означает передачу от "Master" к "Slave", а 1 — чтение из "Slave". Все биты передаются по шине I2C в порядке старший-младший, то есть первым передается 7-ой бит, последним 0-ой. За адресои могут следовать один или более информационных байтов (в направлении, определенном флагом R/W), биты которых стробируются сигналом SCL из "Master"-устройства. При совершении операции чтения "Master"-абонент должен сопровождать прочитанный байт сигналом ACK, если необходимо прочитать следующий байт, и не выдавать сигнала ACK, если собирается закончить чтение пакета. Допускается многократное возобновление "Slave"-адреса в одном цикле передачи, то есть передача повторного "Start"-условия без предварительного "Stop"-условия. Такой принцип широко применяется в управлении I2C абонентами, когда выдача нового "Start"-условия служит для синхронизации начала нового пакета данных, сопровождаемого, например, новым управляющим словом, уточняющим адресацию пакета.

Интерфейс RS-485

Интерфейс RS-485 (другое название — EIA/TIA-485) — один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень — это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары — двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) — его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" — отрицательна. Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе.

Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель — дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Аппаратная реализация интерфейса — микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485.

RS-422 — полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.

RS-485 — полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут, отключаются в режиме приема.

- D (driver) — передатчик;-R (receiver) — приемник;-DI (driver input) — цифровой вход передатчика;-RO (receiver output) — цифровой выход приемника;-DE (driver enable) — разрешение работы передатчика;-RE (receiver enable) — разрешение работы приемника;

-A — прямой дифференциальный вход/выход;-B — инверсный дифференциальный вход/выход;-Y — прямой дифференциальный выход (RS-422);-Z — инверсный дифференциальный выход (RS-422).

Остановлюсь поподробнее на приемопередатчике RS-485. Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX).

Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи —приемник. Для этого служат управляющие входы — разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта контроллера. При уровне "0" — работа на прием, при "1" — на передачу.

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ — приемник определяет "1", когда UAB <-200 мВ — приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения — правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) — к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии.

Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбод/сек. Максимальное расстояние — 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика —применяют специальные повторители (репитеры).