Интерфейсы и протоколы в технических средствах
ИНТЕРФЕЙС — это стандартизованная среда turn способ обмена информацией между двумя или более единицами оборудования: приборами, контроллерами, персональный компьютером и т.п.
Интерфейсы информационного обмена между приборами, применяемые в промышленности, могут быть двух типов:
«точка-точка», соединяющий два прибора между собой;
мультиприборный, позволяющий подключать более двух приборов на одну линию передачи данных.
Основная характеристика интерфейса — пропускная способность, которая показывает, сколько бит информации передается по интерфейсу за 1 секунду и измеряется в bit per second (bps, Mbps), или бит в секунду (бит/с, Мбит/с). Необходимо учитывать, что эта пропускная способность включает «накладные расходы», связанные со способом передачи данных. Для разных интерфейсов и протоколов доля полезной информации, передаваемой в секунду, может быть от 30 % до 90 % от общей пропускной способности.
ПРОТОКОЛ — это стандартизованный набор правил передачи информации по какому-либо интерфейсу.
Для сложных протоколов принята практика разделения их на несколько уровней (слоев). При этом каждый уровень реализуется отдельно и дополнительно стандартизуется обмен между уровнями. Это также позволяет заменять какие-то уровни (например, для адаптации к разным интерфейсам), оставляя неизменными другие.
Интерфейсы и протоколы, используемые в приборах и контроллерах
Длина линии связи
мультиприборный (до 32 приборов)
стандартно 115200 bps,
есть реализации до 2 Mbps
не более 1200 м (без повторителя)
не более 1000 м
Ethernet 10/100 base T (по витой паре)
Mass Storage Device
Совместимость приборов — это их способность осуществлять ин формационный обмен между собой. Каждый из приборов, участвующих в информационном обмене, должен иметь определенный интерфейс и понимать определенный протокол. И даже в этом случае не гарантируется возможность обмена, т.к. один прибор может оказаться неспособным передавать ту информацию, которую требуется получать другому. Но что делать, если приборы способны к передаче нужной информации, но имеют разные интерфейсы и/или понимают разные протоколы? В этом случае требуется применение преобразователей интерфейсов или шлюзов.
Преобразователь интерфейсов — это устройство, имеющее два или более различных интерфейсов, ретранслирующее информацию из одного интерфейса в другой (другие). При этом передача информации осуществляется без ее преобразования. Поэтому к преобразователю интерфейсов имеет смысл подключать только те устройства, которые способны работать по одному протоколу.
Шлюз (или мост) — это интеллектуальное устройство, способное к преобразованию данных из одного протокола в другой. При этом шлюз может выступать также и в качестве преобразователя интерфейсов. Шлюз, в отличие от преобразователя интерфейса, требует дополнительной настройки, т.к. ему требуется указать, какие данные по каким протоколам надо принимать и передавать.
Интерфейс RS-485. При проектировании промышленных систем автоматизации наибольшее распространение получили информационные сети, основанные на интерфейсе стандарта EIA RS-485. Это высокоскоростной и помехоустойчивый последовательный интерфейс, который позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии.
Большинство приборов, предназначенных для работы в информационной сети, имеют встроенный интерфейс RS-485.
В обычном персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому для подключения к ПК промышленной сети RS-485 необходим специальный адаптер — преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 или RS-485/USB (например, ОВЕН АСЗ-М или АС4).
По интерфейсу RS-485 данные передаются с помощью «симметричного» (дифференциального) сигнала по двум линиям (А и В). Максимальная длина линии связи между крайними устройствами может составлять до 1200 м (и более с использованием повторителей). При длине линии связи более 100 м в максимально удаленных друг от друга точках сети рекомендуется устанавливать оконечные согласующие резисторы номиналом от 100 до 250 Ом, позволяющие компенсировать волновое сопротивление кабеля и минимизировать амплитуду отраженного сигнала. Количество приборов в сети не должно превышать 32 (без использования повторителя).
Интерфейс RS-232. Интерфейс стандарта EIA RS-232C предназначен для последовательной связи двух устройств (соединение «точка-точка»). Он является общепринятым и широко используется для подсоединения внешнего оборудования к ПК. Передача данных по интерфейсу RS-232C осуществляется с помощью «несимметричного» сигнала по двум линиям — TxD и RxD, а амплитуда сигнала измеряется относительно линии GND («нуля») (см. рис.).
Несимметричность сигнала обуславливает низкую помехозащищенность данного интерфейса, особенно при промышленных помехах, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров. Наличие линий приема (RxD) и передачи (TxD) данных позволяет поддерживать полнодуплексную передачу информации, т.е. одновременно информация может как передаваться, так и приниматься. Устройства для связи по интерфейсу RS-232 обычно соединяются кабелем с 9-контактными или 25-контактными разъемами (DB9, DB25 и др.).
Интерфейс «токовая петля» (разновидность RS-232). «Токовая петля» — разновидность интерфейса RS-232, также обеспечивающая связь двух приборов (соединение «точка-точка»). Информация в токовой петле передается не напряжением, а током по двухпроводной линии, что обеспечивает высокий уровень помехозащищенности. Стандарт «токовая петля» позволяет передавать данные на расстояния до 1000 м со скоростью до 19,2 кбит/с. Из-за наличия одной линии связи стандартом обеспечивается полудуплексная передача данных, т.е. в каждый момент времени информация может либо передаваться, либо приниматься.
Приборы могут иметь встроенный интерфейс «токовая петля», которые могут быть подключены:
1) к ПК через адаптер «токовая петля»/RS-232;
2) к сети RS-485 через шлюз «токовая петля»/RS-485.
Рис. Типовые схемы подключения приборов с интерфейсом
«токовая петля» к сети
Интерфейс Ethernet. Ethernet — транспортная технология для передачи данных в вычислительных сетях, преимущественно локальных. Протокол, используемый в кабельных сетях Ethernet — CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) — Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий (ошибок). Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. Этот интерфейс получил широкое распространение в компьютерных сетях благодаря высокой пропускной способности и помехоустойчивости. Чаще используется встроенный интерфейс Ethernet 10/100 Base-T, что позволяет встраивать приборы и ПЛК в распределенные информационные системы более высокого уровня.
Интерфейс USB. Стандарт USB разработан как альтернатива более «медленным» компьютерным стандартам RS-232 и LPT. В настоящее время устройства с интерфейсом USB 2.0 позволяют передавать данные со скоростью до 480 Мбит/с.
Интерфейс USB, как и RS-48S, является симметричным и позволяет передавать данные по двум проводам (D+ и D-), при этом логические уровни аналогичны соответствующим уровням стандарта RS-485. Интерфейс USB имеет линии питания Vcc и GND для запитывания подключенного устройства (при условии, что потребляемый им ток не превышает 500 мА). После установки драйвера операционная система распознает подключаемое устройство как СОМ-порт и использует стандартный асинхронный режим передачи данных, применяемый для работы с аппаратным СОМ-портом.
Интерфейс передачи данных это
В современном мире цифровых технологий их структура базируется на передаче информации между узлами и объектами определённой сети. Надёжность протоколов и способов, используемых при этом, зависит от того, каким образом реализована технология. В частности, это возложено на интерфейсы передачи данных.
Что это такое?
Как следует из официального определения, интерфейс передачи данных — это некая граница между двумя объектами или узлами, которые регламентируются особым принятым стандартом и реализуются с помощью установленных методов, средств и правил.
Говоря простым языком, это своеобразный переходник между узлами, который знает, как передавать данные, что при этом использовать и чего ждать в ответ.
Основные типы интерфейсов передачи данных
С одной из разновидностей сталкивался каждый пользователь компьютера. Это интерфейс передачи данных Ethernet. Его первоначальное предназначение — коммуникация между офисными устройствами. Для реализации первых соединений применялась линейная топология, а также простой коаксиальный кабель. Сегодня же данный подход устарел. И теперь в основе сетей лежит топология «звезда», реализуемая и делимая на части маршрутизаторами и коммутаторами. В промышленных сетях по интерфейсу передачи данных Ethernet можно отправлять информацию со скоростями 10, 100 Мбит/с, и реже 1Гбит/с. Подобную производительность гарантирует такая передающая среда, как витая пара или оптоволокно.
Одной из особенностей интерфейса является наличие обязательного MAC адреса, который «вшит» в аппаратную часть оборудования. С помощью него происходит распознавание того узла, который отправил и получил данные. По сути, каждый адрес должен быть уникален. Для этого разработчики устройств делят между собой общее множество значений. За тремя старшими байтами в MAC адресе закреплён свой производитель.
Стоит отметить, что при регистрации MAC это происходит один раз при инициализации сетевого оборудования. Дальнейшее же хранение его ложится на плечи операционной системы. А это означает, что адрес в любой момент можно сменить.
Ещё один часто встречающийся интерфейс последовательной передачи данных — Universal Serial Bus. Практически каждое современное устройство комплектуется той или иной его разновидностью, будь то микроверсия или мини.
Его главной особенностью является использование технологии Plug and Play. Это означает, что любое устройство с интерфейсом USB можно подключить и начать работать, в большинстве случаев избегая установки различных драйверов.
Также особым рядом идёт приведение многих разношёрстных разъёмов и стандартов к одному общему виду. Теперь можно присоединять к компьютеру джойстики, мыши, клавиатуры, жёсткие диски, принтеры и многое другое оборудование, используя один универсальный разъем.
Стоит отметить ещё один плюс USB — подачу питания на одном из контактов. Это позволило подключать внешние жёсткие диски и подобные устройства.
Это тоже интерфейс передачи данных, позволяющий передавать медиаданные. В отличие от устаревшего VGA, он может работать не только с видео, но и со звуком. Данный стандарт обладает большой пропускной способностью. Поэтому он применяется для трансляции видео высокой чёткости. Кстати, аббревиатура HDMI именно так и расшифровывается — High Definition Multimedia Interface. Что означает интерфейс для мультимедиа высокой чёткости.
Статья была бы не полной без описания интерфейсов передачи данных, позволяющих делать это беспроводным путем. И наверное, IrDA — первопроходец среди них.
Возможно, морально и технически он уже устарел, однако до сих пор встречается на самых разных архаичных устройствах. Его задача — соединить два аппарата с IrDA с помощью инфракрасного излучения. Ограничения стандарта не позволяют использовать его на больших расстояниях. Поэтому для передачи данных, например, между двумя телефонами, приходилось держать их на близком расстоянии друг от друга. Скорость передачи была очень низкой и находилась в диапазоне от 2400 до 115 200 bps.
Bluetooth
Bluetooth пришёл на смену инфракрасному порту и активно используется во многих устройствах для создания связи между ними. Это компьютерные мыши, телефоны, ноутбуки и много других устройств.
Радиус действия интерфейса официально заявлен в 100 метров. Однако на практике, наличие шумов и различных препятствий в виде стен сужают расстояние примерно до 10 метров. Средняя скорость передачи данных по интерфейсу Bluetooth составляет не более 3 Мбит/с.
Наверное, нет такого человека, который бы не слышал о данном интерфейсе передачи данных, позволяющем передавать информацию на больших скоростях и на удобных расстояниях.
Основное преимущество стандарта — беспроводное подключение. А это значительная экономия как пространства, так и денежных затрат на кабели и инфраструктуру.
Повсеместное распространение Wi-Fi привело к тому, что с ним поставляются сегодня даже лампочки. То есть интерфейс стал одним из самых популярных. С ним сталкиваются все при покупке нового устройства, будь то телевизор, смартфон или ноутбук.
Технические характеристики Wi-Fi постоянно улучшаются. Теоретически в идеальных условиях он может передавать данные со скоростью до 7 Гбит/с. Средняя же на обычных бытовых устройствах варьируется в пределах от 450 до 1300 Мбит/с при использовании нескольких антенн.
Минусы Wi-Fi
Несмотря на множество преимуществ, у интерфейса имеются и недостатки. Например, большинство устройств способно работать на частоте 2,4 ГГц. Однако многие средства беспроводной передачи данных, а также некоторые бытовые приборы тоже имеют такой показатель. А это значительно влияет на качество передачи данных, что, в свою очередь, сказывается и на скорости. Однако в последних моделях устройств данную проблему уже решили путем добавления дополнительной рабочей частоты в 5 ГГц.
В России имеются небольшие проблемы с установкой адаптеров Wi-Fi, показатель электромагнитного излучения которых превышает 100 мВт, так как нужно их обязательно регистрировать.
Финансовый словарь Финам .
Смотреть что такое "Интерфейс передачи данных" в других словарях:
интерфейс передачи данных — — [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993] интерфейс передачи данных [Интент] Тематики информационные технологии в целом EN communication interfacedata transfer interfaceDTI … Справочник технического переводчика
интерфейс передачи данных с номинальной скоростью — базовый интерфейс обмена базовый интерфейс абонента интерфейс базового уровня — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом Синонимы базовый интерфейс… … Справочник технического переводчика
интерфейс передачи данных с базовой скоростью в сети ЦСИС — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN ISDN primary rate interfaceISDN PRI … Справочник технического переводчика
интерфейс передачи данных с номинальной скоростью в сети ЦСИС — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN ISDN basic rate interfaceISDN BRI … Справочник технического переводчика
SSI (интерфейс передачи данных) — У этого термина существуют и другие значения, см. SSI. SSI (англ. Synchronous Serial Interface, синхронно последовательный интерфейс) популярный последовательный интерфейс передачи данных, предназначенный для индустриальных применений … Википедия
открытый интерфейс передачи данных — открытый сетевой интерфейс — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом Синонимы открытый сетевой интерфейс EN open data link interfaceODI … Справочник технического переводчика
распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам (стандарт ANSI. США) — Сеть стандарта FDDI имеет двухкольцевую структуру и обеспечивает передачу данных со скоростью до 100 Мбит/с. Максимальная протяженность кольца 100 км. При использовании многомодового кабеля в сети может быть размещено до 500 станций на расстоянии … Справочник технического переводчика
распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам — Стандарт для локальных сетей на основе волоконно оптических линий связи (МСЭ Т J.112, МСЭ Т J.122). [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?gloss >Справочник технического переводчика
распределенный интерфейс передачи данных по проводным линиям — Модификация стандарта FDOI для кабельных систем на базе экранированных или неэкранированных витых пар. Данная технология значительно упрощает процесс инсталляции кабельной системы и удешевляет ее, однако накладывает ограничение на максимальное… … Справочник технического переводчика
экранированная витая пара/интерфейс передачи данных по оптоволокну — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN twisted pair/fiber distributed data interfaceTP/FDDI … Справочник технического переводчика
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, I 2 C, 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
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-09; Нарушение авторского права страницы
Интерфейсель: Запутанная история
Многим из нас чуть не ежедневно приходится сталкиваться с недружным строем разнообразных разъёмов для подключения между собой различных устройств. Вспомнить хотя бы многообразие портов на некоторых компьютерах некоторое время назад, когда на одном системном блоке можно было встретить COM, LPT, PS/2, MIDI, USB и FireWire одновременно. По счастливому стечению обстоятельств, COM, LPT, PS/2 и FireWire на современных бытовых компьютерах вымерли, теперь для целей подключения периферии у нас остался только USB. Разнообразной периферии стало больше. А интерфейсов ещё больше.
В этом топике я оставлю за кадром беспроводные интерфейсы, а также аналоговые проводные, и расскажу о существующих проводных интерфейсах для передачи дискретных сигналов.
Да, тот самый, который вытеснил большинство старых интерфейсов подключения. Можно было бы назвать USB замечательным, если бы не одна неприятная нестыковка его названия (универсальная серийная шина) с фактическим принципом действия. Дело в том, что для упрощения реализации подключаемых устройств, USB требует наличия ведущего шины (master), а остальные устройства являются ведомыми, и то, что по сути эта шина не является общей и серийной, и для подключения нескольких устройств к одному ведущему необходим активный разветвитель (хаб). Таким образом получается, что топология USB это звезда, а не шина и то, что устройства не могут общаться между собой, а только с ведущим шины. Корневой хаб, являющийся частью контроллера ведущего, позволяет подключение до 127 портов, но при этом общая скорость передачи ограничена максимальной скоростью самого медленного подключенного устройства. Стоит отметить, что USB допускает глубокое ветвление, аж до 5 уровней. Ещё одним недостатком (вплоть до USB 2.0) является то, что передача данных в любой момент времени идёт лишь в одном направлении. Для подключения нужны всего лишь 4 сигнальных провода (плюс дополнительный экранирующий). Спецификация USB 3.0 добавляет ещё 5 для полнодуплексной передачи данных на повышенных скоростях и опционально ещё два для передачи питания от ведомых устройств ведущему хосту. USB может питать устройства напряжением 5В и ограничением по току 500мА (900мА для USB 3.0).
USB OTG
Спецификация предусматривает возможность участия устройств в обмене данными как в роли ведущих, так и ведомых. К сожалению, в схеме обмена по прежнему предопределён один ведущий. Используется в основном в мобильных устройствах, которые обычно подключают к компьютеру, для подключения к ним периферийного оборудования, такого как флеш носители, мыши и клавиатуры.
Многообразие разъёмов подключения
Чтобы не перепутать ведущего и ведомого, у кабелей разные разъёмы на разных концах, один из которых типа A (ведущий), а второй типа B (ведомый). Это также сделано для того, чтобы определять источник питания (ведущий питает ведомого). 
Некоторые производители нередко делают и собственные разъёмы для устройств, привязывая покупателя к своим кабелям.
Разъёмы USB часто бывают совмещены с разъёмами eSATA, и могут иметь и другое применение, о чём вы узнаете чуть дальше.
Ethernet
Практически незаменимый интерфейс для подключения между собой сетевых устройств. В домашнем применении нередко оказывается вытеснен беспроводной передачей данных. Поддерживает скорость передачи 10Гбит/с на расстоянии до 100м при использовании кабеля Cat6A. Стандартный разъём подключения RJ-45. 8 сигнальных жил плюс экран. Инструменты для обжимки кабелей на коленке широко доступны, равно как и сам кабель, соединительные разъёмы и устройства для проверки правильности обжимки кабелей. По Ethernet, также как и по USB, возможно питать периферийные устройства, но напряжение питания 48В, и при том же токе устройства могут потреблять до 25Вт. Помимо прочего, Ethernet предусматривает электрическую изоляцию устройств, что делает подключение, например, ADSL модема к компьютеру более безопасной в случае попадания фазы 220В на сигнальные провода где-нибудь на чердаке, чем USB, который изоляцию не предусматривает.
FireWire
Официально называющийся IEEE 1394, но известный по более произносимому названию. Будучи разработан в конце 80х годов, этот интерфейс был сногсшибательно быстрым, и остаётся и по сей день. Например, спецификация IEEE 1394b предусматривает передачу данных на скорости до 3.2Гбит/с, что ставит его на одну планку с USB 3.0 с той разницей, что 1394b появился в 2002м году, а USB 3.0 в 2008. FireWire имеет и ряд других преимуществ над USB, как то полнодуплексная передача данных, что на практике выражается в большей скорости передачи данных по FireWire, работающему на скорости 400Мбит/с над USB, работающему на 480Мбит/с. FireWire поддерживает передачу питания на 12В, выдавая мощность 10-20Вт. Любое из устройств на шине может инициировать передачу данных, и может общаться с любым другим подключенным устройством. Поддерживается передача данных в режиме DMA, что сильно разгружает основной процессор.
К сожалению, этот стандарт особой популярности не получил, и присутствовал в основном в продуктах Apple, а на PC в основном в виде плат расширения с целью подключения видеокамер.
<irony>Главное неоспоримое достоинство перед USB — несимметричный разъём подключения, что избавляет от многократных безуспешных попыток воткнуть кабель, перевернуть, воткнуть. </irony>
eSATA
Ещё один универсальный интерфейс для подключения периферийных устройств. Исторически предназначался для накопителей. В спецификации eSATAp также поддерживает питание на 12 или 5В. Поддерживает передачу данных до 6Гбит/с. Разъём слегка отличается от USB, но часто бывает совмещён с ним (возможно только с 4х жильным разъёмом USB 2.0).
ExpressCard
Имеет глубокие корни, будучи наследником PCMCIA. Используется для подключения периферийных устройств, таких как внешние ТВ тюнеры, внешние GSM модемы, адаптеры карт памяти, твердотельные накопители, адаптеры для других интерфейсов. Поддерживает скорость до 2.5Гбит/с. Не забывает о родителях и позволяет подключать старые PCMCIA устройства через адаптер.
S/PDIF
Что-то из старой эпохи, что всё-таки дотянуло до наших времён. Интерфейс подключения аудиоаппаратуры, работающий по оптическому каналу (в случае TOSLINK). Часто используется в тех случаях, когда требуется исключительно передача дискретного аудио сигнала.
Интерфейс подключения отображающих устройств, в основном компьютерных мониторов, к компьютеру. Совместим с VGA и наряду с цифровыми видеосигналами передаёт и аналоговый, позволяя использовать старое оборудование с помощью пассивных кабелей. Видеоустройства, подключаемые по DVI, должны поддерживать режим 640х480 пикселей, а также могут предоставлять источнику сигнала сведения о себе, такие как предпочтительные разрешения.
DVI поддерживает передачу видеосигнала с разрешением 2560×1600 при 60Гц и более, чем 24 бита на пиксель.
Тяжело назвать этот интерфейс устаревшим, так как в моём новеньком ноутбуке присутствует разъём VGA, который является предшественником DVI, а на рынке до сих пор присутсвует немалое количество моделей мониторов, у которых (по Яндекс.Маркет, всего 1833 модели):
— есть только VGA: 500
— нет VGA: 70
— есть DVI: 1166
— есть HDMI: 427
— есть DisplayPort: 117
— есть HDMI, но нет DVI: 156
Из такой выборки можно сделать вывод, что от DVI пока отказываться никто не собирается, несмотря на те недостатки, что передачу звука он не поддерживает и то, что он не является хоть сколько-нибудь универсальным.
В декабре 2010 Intel, AMD и некоторые другие производители объявили, что прекратят поддержку DVI, VGA и LVDS в 2013-2015 годах в пользу DiplayPort/HDMI.
Стандарт, предложенный Intel на замену DVI и HDMI, но ушедший в небытие в пользу DisplayPort.
Некий стандарт гигабитной передачи видео, предложенный Sony и, судя по всему, не имеющий практических применений.
Замечательный и универсальный интерфейс, имеющий возможность передачи видео на разрешениях до 4096х2160, частоте обновления до 60Гц, глубиной цвета до 48 бит на пиксель и поддержкой 3D (к сожалению, не всё сразу, например только 24Гц при полном 4K разрешении), поддерживает цветовые пространства xvYCC в дополнение к RGB. Помимо 8-канального (7+1) аудио поддерживается передача данных, которая может использоваться для трансляции нажатий клавиш на пульте управления телевизора источнику сигнала, подключенному по HDMI. Обратно совместим с DVI, возможно использование пассивного адаптера (но только для цифрового сигнала DVI-D).
Вроде бы всё замечательно, но есть несколько «но». Производители оборудования, работающего с HDMI, должны платить $10’000 в год плюс $0.15 за каждое устройство (скидка $0.10 тем, кто налепит на устройство логотип HDMI и ещё $0.01 тем, кто реализует защиту передаваемого контента HDCP). Это отталкивает множество мелких производителей, либо повышает стоимость производимых устройств. Физически HDMI использует целых 19 жил, что удорожает и утолщает кабели.
DisplayPort
Обладает всеми замечательными свойствами HDMI, кроме возможности передачи сигналов от пультов к источнику сигнала. Огромным преимуществом является то, что производители не обязаны никому ничего платить. Помимо этого, DisplayPort может передавать сигналы Ethernet и USB 2.0 по логическому каналу.
Intel поддерживает (в том числе аппаратно) и HDMI и DisplayPort, ориентируя производителей на использование HDMI для бытовой электроники, а DisplayPort для компьютеров. Как мне кажется, производители всё больше дезориентированы.
Помимо обычного разъёма, некоторые компании используют Mini DisplayPort.
В 2010 году анонсирован стандарт беспроводной передачи DisplayPort на частоте 60ГГц.
Ещё один универсальный стандарт, продвигаемый Samsung. Является развитием HDMI, но отличается тем, что видео ограничено разрешениями до 1080p и глубиной цвета. Использует физический пятижильный кабель для передачи данных и стандартный разъём microUSB. В принципе, достаточно распространён на мобильных устройствах и телевизорах производства Samsung, LG и Toshiba.
HDBaseT/5Play
Ещё один интерфейс для подключения аудио-видео аппратуры. Имеет замечательное свойство, а именно то, что передача осуществляется по стандартному кабелю Cat5e с витой парой и разъёмы RJ-45, что делает подключение устройств дешёвым и простым. Поддерживается передача Ethernet 100Мбит/с и USB по логическому каналу. Скорость передачи 10Гбит/с на расстояние 100м (до 800м с использованием ретрансляторов).
ThunderBolt
Ещё один универсальный интерфейс, в основном присутствующий на устройствах приизводства Apple. Использует разъём Mini DisplayPort и 20-жильный кабель, и мультплексирует сигналы DisplayPort и PCIe. Поддерживает до семи устройств на серийной шине. Может питать подключенный устройства до 10Вт. Скорость передачи до 10Гбит/с.