Интерфейсы передачи информации
То что вы видите на мониторе — интерфейс. Клавиатура с мышкой — интерфейс. И даже окно регистратуры в больнице — это тоже интерфейс.
Интерфейс (англ. interface) — общая граница между двумя функциональными объектами, требования к которой определяются стандартом; . // Wikipedia
Во встраиваемых системах чаще всего под словом «интерфейс» понимают физический блок МК отвечающий за передачу данных. Они могут быть последовательными или параллельными, синхронными или асинхронными, дифференциальными или обычными.
Параллельные и последовательные интерфейсы
Допустим нам нужно переслать 1 байт (8 бит) информации. Как это сделать? Можно выделить под каждый бит по одной ножке МК (линии), тогда для передачи потребуется 8 ножек, плюс одна, которая будет говорить принимающей стороне что передача закончена и нужно считать входной сигнал. Такой интерфейс называется параллельным (англ. parallel): группа битов передаётся одновременно за один квант времени. К таким интерфейсам относится PCI (32 линии) и её можно встретить в LCD знакогенерирующих индикаторах (например WINSATR).
Можно поступить по другому и передавать данные по одной линии, кодируя, например, 1 как высокий уровень сигнала (3,3 В), а 0 как низкий (0 В). В таком случае потребует всего одна ножка МК для передачи и одна что бы сообщать когда этот сигнал считывать. Такие интерфейсы называют последовательными (англ. serial): N битов передаётся по одному за N-квантов времени. Примером последовательного интерфейса — USART.
Параллельный интерфейс, как не сложно догадаться, быстрее в N-раз, однако требует в N-раз больше линий. В микроконтроллерах чаще всего присутствуют только последовательные интерфейсы (периферийные блоки, которые делают всё автоматически), к ним относятся SPI, I 2 C, I 2 S, CAN, USART и USB. Некоторые из них мы рассмотрим подробнее в этом курсе.
Синхронные и асинхронные интерфейсы
Примеры которые мы привели выше были синхронными, они так называются потому что используют отдельный вывод, который сообщает принимающей стороне когда считывать данные. К ним относится SPI и USART. Однако, USART (с англ. Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) как не сложно догадаться может работать в асинхронном режиме. Если время передачи бита известно, то сообщать когда именно нужно считывать бит нет необходимости. Однако нужно как-то различать между собой принятые байты. С этой целью в последовательность высоких и низких уровней на шине внедряют задержки (старт и стоп-биты). Они отличаются по длительности от обычных 0 и 1 , благодаря чему всегда можно определить где начало, а где конец посылки. Асинхронная версия USART называется UART.
Кодировка битов может быть осуществлена не только как 1 — высокий уровень и 0 — низкий уровень. В интерфейсе 1-Wire 1 и 0 кодируется одновременно и низким и высоким уровнем, отличается лишь их заполнение временного отрезка. Вы увидите это дальше в курсе, когда мы будем разбираться с датчиком температуры.
В интерфейсе SPI напротив, считывание сигнала происходит только по команде тактирующей линии.
У вас наверняка возникает философский вопрос, — «Зачем есть капусту, когда есть картошка?» Может показаться, что линия с тактовым сигналом излишня. Да. Но это не всегда так. Линия с тактовым сигналом делает интерфейс независимым от стабильности тактирующих систем узлов. Если погрешность будет слишком велика, то у устройств с асинхронным интерфейсом может произойти рассогласование. В случае с синхронным, тактовый сигнал задаётся передающим устройством (не совсем корректно, но пока пусть будет так), поэтому после первого бита линию можно повесить, условно, на полчаса без каких либо последствий и продолжить передачу после этого.
Дифференциальные интерфейсы
USB является дифференциальным последовательным интерфейсом. При этом он довольно требователен к стабильности частоты и именно по этой причине в нашем устройстве не реализована на физическом уровне возможность подключения часов к компьютеру; требуется внешний высокочастотный кварцевый резонатор 1 .
Дифференциальным он называется потому, что сигнал передаётся сразу по двум линиям, причём если на одной линии выставлена 1 , то на второй должен быть выставлен 0 и наоборот.
Опять же вопрос, зачем два провода, когда можно использовать один? UART вроде хорошо работал на одной линии. На самом деле нет. UART хорошо работает на низких скоростях. При повышении частоты передачи начинают влиять паразитные ёмкости и индуктивности и сигнал просто теряется. Дифф-пара позволяет понизить напряжение, уменьшить электро-магнитное излучение, уменьшить потребление и повысить устойчивость приёма сигнала.
Выбирать дифференциальную пару, конечно, нужно не только в тех случаях, где требуется высокая скорость передачи, но и там, где «шумная» среда. В электронике автомобиля используется другой интерфейс, под названием CAN. Скорость передачи данных там не высокая, за-то она обеспечивает хороший приём в условиях жёсткой эксплуатации.
К слову, проводной интернет (Ethernet) так же построен на дифференциальной паре.
Режим работы
Некоторые интерфейсы могут поддерживать несколько режимов работы, другие напротив способны работать только в одном определённом.
Если устройство использует два канала, один для приёма и второй для передачи, и при этом обмен данными может происходить одновременно, то такой режим работы называют полным дуплексом (англ. full duplex). Ваш мобильный телефон работает в таком режиме: вы можете слушать человека и говорить ему что-либо одновременно. Если используется два канала, но передача и приём может производится только одним устройством в один момент времени, то такой режим работы называется полудуплексным (англ. half-duplex). И наконец, если используется один канал, следовательно общение может проходить только разделённое во времени, то такой режим называется симплексным (англ. simplex).
Свойство шины
Каждый интерфейс предъявляет свои требования к шине данных. В таких интерфейсах как UART может быть только два устройства (принимающее и отправляющее). При этом с точки зрения иерархии нет никакой разницы, оба устройства равнозначны. В интерфейсе SPI устройств может быть несколько, но только одно (на самом деле не всегда, но это исключение) является главным, т.е. ведущим или мастером (англ. master). Все остальные устройства являются ведомыми или подчинёнными (англ. slave). При этом SPI требует подводить к каждому устройству линию выбора (англ. chip select). Общение ведётся только с тем устройством, на линии которого присутствует сигнал активации.
Все ножки вышеописанных интерфейсов настраиваются как двухтактный выход. Но не все интерфейсы можно использовать подобным образом. Интерфейсы 1-Wire и I 2 C вместо линии выбора используют специальную команду с адресом устройства. Выгода очевидна — на линию можно повесить сколько угодно (есть ограничения) устройств, не вводя новые линии. Однако что будет, если два устройства захотят использовать шину одновременно? Непременно сложится ситуация, когда одно устройство подтянет линию к земле, а другое к питанию. Такое поведение, мягко говоря, не желательно и называется коротким замыканием (англ. short circuit).
То самое чувство, когда микросхема испустила дух, выпустила магический дым.
Во избежание таких ситуаций, интерфейс требует, что бы: линия была подтянула внешним резистором к питанию, а устройства были настроены как вход с открытым стоком. Когда устройству нужно передать 1 оно ничего не делает с линией, а когда нужно передать 0 , оно подтягивает линию к земле. В таком случае, если произойдёт коллизия и два устройства одновременно начнут работать с линией, магический дым останется внутри микросхем.
Сравнение некоторых интерфейсов
| Название | Количество линий, шт | Длина линии, м | Скорость, бит\с |
|---|---|---|---|
| 1-Wire | Simplex | до 300 м | 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с |
| SPI | Duplex | до 5 м | > 100 МГц |
| I 2 C | Simplex | 3 м | 425 КБ/c |
| UART | Duplex | 5 м | > 11 520 байт/с |
| CAN | Simplex | до 5000 | 10 кбит/с — 1 Мбит/с |
| USB 2.0 | Duplex | 5 | 60 МБ/c |
Все данные в таблице — ориентировочные, многое зависит от скорости передачи, напряжения, среды распространения и т.д.
Источник
Стандарты кабелей типы интерфейсов данных
Данные в сетях передаются в виде пакетов или ячеек. Сначала использовалась передача пакетов, которая до сих пор остается наиболее распространенным методом передачи данных в локальных сетях. Передача ячеек (пакетов фиксированной длины) позволяет строить высокоскоростные каналы между локальными и глобальными сетями.
Для каждого метода передачи необходимы специальные интерфейсы, управляющие сетевыми коммуникациями на физическом уровне. В следующих разделах описываются и сравниваются используемые в сетях пакеты и ячейки, а также предназначение для них интерфейсы.
Передача пакетов
Данные передаются от узла к узлу в виде больших фрагментов, называемых пакетами или фреймами. Коммуникационное программное обеспечение каждого узла разбивает данные на такие фрагменты. В зависимости от передающей среды, фрагмент данных преобразуется в электрический, радио- или световой сигнал, который и может быть передан между узлами. Требуется много пакетов данных, чтобы передать страницу текста или файл.
Формат пакетов определяется используемым в сети протоколом. Например, протокол определяет способ указания адреса узла, посылающего пакет, адреса принимающего узла, типа передаваемых данных, размера пакета, объёма передаваемых данных и метода обнаружения поврежденных пакетов или коммуникационных ошибок. Другой важной частью пакета является синхронизирующая информация для передачи множества пакетов, позволяющая отсылать пакеты через заданные интервалы времени. На рис.1 показан общий формат пакета.
Рис. 1 Общий формат пакета
Для физической передачи пакетов в сеть служит карта сетевого интерфейса, или сетевой адаптер (networkinterface card, NIC). Сетевой адаптер позволяет подключить рабочую станцию, файл-сервер, принтер или другое устройство к сетевой передающей среде, например, к коаксиальному кабелю или витой паре. На одном конце адаптера располагается разъем (или коннектор), соответствующий типу сетевой среды.
Сетевой адаптер является приемопередатчиком, обеспечивающим канал передачи данных в сетевой среде. Его встроенные средства упаковывают во фрейм заголовок, исходный и целевой адреса, данные и хвостовик, а фрейм в виде законченного пакета передается в коммуникационную среду. Сетевой адаптер имеет алгоритмы для приема, распаковки, передачи и синхронизации данных, а также для управления конфликтами и ошибками.
Программные алгоритмы, реализующие эти функции, хранятся в исполняемых и служебных файлах, называемых сетевыми драйверами. Для каждого сетевого адаптера необходимы определенные сетевые драйверы, соответствующие методу доступа к сети, формату инкапсуляции данных, типу кабельной системы и физической (MAC) адресации. В программных драйверах реализуются стандарты многоуровневых сетевых коммуникаций, заданные эталонной моделью OSI. Драйверы позволяют сетевому адаптеру выполнять передачу данных на Физическом (Уровень 1) и Канальном (Уровень 2) уровнях.
Передача ячеек
Обычно ячейка (cell) содержит фрагмент данных фиксированной длины в формате, пригодном для передачи с большими скоростями – от 155 Мбит/с до 1 Гбит/с и выше. Как показано на рис. 2 ячейка имеет заголовок(header), в котором содержится следующая информация:
- данные для управления потоком, координирующие передачу информации между исходным и целевым узлами;
- информация о маршруте и канале, позволяющая передавать данные по кратчайшему маршруту;
- признак, указывающий на то, содержит ли ячейка реальные данные или управляющую информацию для осуществления высокоскоростного соединения;
- сведения об ошибках.
Рис. 2 Общий формат ячейки
Имеющая фиксированную длину полезная нагрузка ячейки отличается реальных данных, содержащихся в пакете. В зависимости от протокола, Л кеты содержат данные переменной длины, которая кратна байту (8 битам) Например, данные в пакете распространенного стандарта Ethernet может иметь длину от нескольких сот до нескольких тысяч бит.
При асинхронном режиме передачи (asynchronous transfer mode, ATM) данные в ячейке всегда имеют длину 384 бита. Технология ATM (подробно описываемая в главе 8) представляет собой метод передачи данных, в котором ячейки и множество каналов используются для пересылки речевых сигналов, видео и данных в локальных и глобальных сетях. Фиксированная длина позволяет более точно синхронизировать передачу данных и обеспечить высокие скорости коммуникаций и качество обслуживания (Quality of Serve QoS). Качество обслуживания количественно описывает качество передачи данных, пропускную способность и надежность сетевой системы. Некоторые производители и телекоммуникационные компании предлагают для своих систем или оборудования гарантированное качество обслуживания.
В первую очередь ячейки используются в сетях ATM, поэтому интерфейсы данных состоят из коммутаторовATM, интерфейсов подключаемых устройств (AUI) и оптоволоконного кабеля. В составAUI-интерфейса входят приемопередатчик и сетевые драйверы, построенные по тем же принципам, что и драйверы для сетевых адаптеров, однако ориентированные на соединения по коаксиальному кабелю, витой паре или оптоволокну.
Согласно спецификациям ATM Forum и TIA Fiber Division, LAN Section, для передачи ячеек в магистралях локальных сетей, работающих на скорости 622 Мбит/с и на расстояниях до 500 м, требуется одномодовый оптоволоконный кабель. Многомодовый кабель с полосой пропускания 500 МГц на 1 км является наиболее выгодным решением для резервных магистралей, обеспечивающих скорость до 100 Мбит/с на расстоянии до2000 м. Следовательно, наилучшая конструкция кабельной системы, удовлетворяющаяся современным и будущим требованиям к резервным магистралям, представляет собой комбинацию многомодовых (62,5/125FDDI Grade) и одномодомовых оптических кабелей. Такие решения можно рассматривать как пример комбинированной кабельной системы.
Обычно кабельная магистраль содержит от 18 до 48 многомодовых оптических кабелей. При добавлении от 6 до 12 одномодовых кабелей (имеющих чрезвычайно высокие показатели полосы пропускания) можно обеспечить совместимость с будущими высокоскоростными приложениями. Свободные (или темные) оптические кабели можно оставить не разведенными до тех пор, пока в них не появится необходимость. В большинстве проектов затраты на установку избыточных кабелей невелики по сравннию с общими расходами на монтаж и намного меньше, чем затраты на установку дополнительных кабелей в будущем.
Источник
