Материал: Последовательные интерфейсы периферийных устройств. Попов А.В

А.В. Попов последовательные интерфейсы периферийных устройств

Учебное пособие

Воронеж 2013

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

А.В. Попов

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ

ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2013

УДК 004.382

Попов А.В. Последовательные интерфейсы периферий-ных устройств: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые, граф. данные (1,46 Мб) / А.В. Попов– Воронеж : ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: ПК 500МГц и выше; 256 Мб ОЗУ ; Windows XP ; MS Word 2007 или более поздняя версия ; 1024x768 ; CD-ROM ; мышь. – Загл. с экрана. – Диск и сопровод. материал помещены в контейнер 12x14 см.

В учебном пособии описываются основные виды последовательных интерфейсов, используемых в компьютерной и микропроцессорной технике, приводится их структура, особенности технической реализации, алгоритмы передачи информации.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 230100.62 «Информатика и вычислительная техника» (профиль «Системы автоматизированного проектирования в машиностроении»), дисциплине «ЭВМ и периферийные устройства».

Ил. 27. Табл. 4. Библиогр.: 10 назв.

Рецензенты:

кафедра программирования и информаци-онных технологий Воронежского государ-ственного университета (зав. кафедрой канд. физ-мат. наук, доц. Н.А. Тюкачев); канд. техн наук, доц. А.Ю. Бойко

 Попов А.В., 2013

 Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет», 2013

Введение

Интерфейс (Interface) является границей раздела двух систем, устройств или программ. Он содержит элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Интерфейсы позволяют подключать к компьютерам различные периферийные устройства (ПУ) и их контроллеры, а также соединять отдельные подсистемы вычислительной системы.

Интерфейсы различаются друг от друга организацией. Существуют два основных класса интерфейсов: параллельные и последовательные. В параллельных интерфейсах информационные слова передаются по соответствующим параллельным проводникам одновременно. В последовательном интерфейсе информационные биты передаются друг за другом обычно по двухпроводниковой линии. Параллельные интерфейсы позволяют передавать информацию с большой скоростью, а последовательные на большое расстояние. Существует многообразие используемых типов интерфейсов, которые отличаются способом передачи информации и характеристиками. Каждый из них имеет определенные достоинства и недостатки, и применяется для преимущественного подключения определенных видов периферии.

Технический прогресс вызывает неуклонный рост передаваемой информации в периферийных устройствах. Это приводит к необходимости создания новых версий существующих интерфейсов, разработке и выпуску новых типов интерфейсов с улучшенными характеристиками.

При разработке специализированных устройств встает вопрос выбора подходящего интерфейса подключения. Этот вопрос следует решать, исходя из принципа разумной достаточности, по возможности отдавая предпочтение внешним интерфейсам.

1. Интерфейсы периферийных устройств

1. Классификация и терминология

Интерфейс представляет собой совокупность унифицированных аппаратных, программных, конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритмов взаимодействия различных функциональных блоков ЭВМ, микропроцессорных (МП) систем, а также функциональных блоков, входящих в состав автоматизированных систем управления.

Стандартизации в интерфейсе подлежат состав и тип линий связи, электрические и временные параметры сигналов, форматы передаваемой информации, команды и состояния, алгоритмы функционирования, конструктивное исполнение соединений.

Интерфейсы ЭВМ и средств промышленной автоматизации по функциональному назначению подразделяют на локальные, мезонинные, системные, интерфейсы периферийных устройств, приборные интерфейсы, интерфейсы локальных вычислительных сетей.

Интерфейс периферийных устройств служит для подключения к системному интерфейсу ЭВМ различных по принципу действия периферийных устройств (накопители на жестких магнитных дисках, принтеры, сканеры, клавиатура и др.), каждое из которых имеет специфичный приборный интерфейс. Хорошо известны последовательные интерфейсы периферийных устройств RS-232C, RS-422A, RS-485.

Под приборным интерфейсом понимают совокупность неунифицированных сигналов, которая обеспечивает обмен информацией и управление некоторым конкретным прибором. Функциональное назначение интерфейса периферийных устройств и приборного интерфейса одно и то же: связь ЭВМ с устройством ввода информации или с объектом управления. Но в первом случае эта связь осуществляется на основе уже стандартного решения, а во втором – произвольно выбранного разработчиком.

1.2. Интерфейсы периферийных устройств в микропроцессорных системах

В приложении к встраиваемым МП-системам интерфейс периферийных устройств выступает в двух ипостасях. Первая из них – микроконтроллер (МК) в составе встраиваемой МП-системы управления периферийным устройством. В этом случае МК как раз и выполняет функцию преобразования потока данных в стандарте какого-либо периферийного интерфейса к неунифицированным сигналам приборного интерфейса. Примером может служить клавиатура и манипулятор "мышка" персональных компьютеров. Однако системы подобного типа не ограничиваются компьютерной периферией. Так, многие современные средства измерения, способные работать в автономном режиме, предусматривают возможность связи с компьютером для передачи результатов измерения с целью обработки полученной информации и ее документирования. Причем МК, который обеспечивает обмен по последовательному каналу, не обязательно должен выполнять также функции управления измерительным прибором. Так, осциллограф смешанных сигналов HP54645D фирмы Hewlett Packard имеет в своем составе мультипроцессорную систему управления с достаточно большим объемом памяти. Поэтому он способен запоминать некоторую группу измерений и воспроизводить на экране электронно-лучевой трубки ранее полученную осциллограмму в измененном масштабе времени. Но этот осциллограф имеет также специальную навесную карту сопряжения с персональным компьютером в стандарте RS-232C, которая обеспечивает возможность переноса данных.

Еще один пример: система мониторинга электропривода насосов глубинных скважин. Встроенный в блок управления двигателем МК снимает показания с датчиков скорости вращения, тока, напряжения и передает их по последовательному интерфейсу в удаленный на несколько сот метров компьютер. Подобных примеров можно привести великое множество. Двухсторонний обмен информацией с персональным компьютером по последовательному интерфейсу (постоянному или коммутируемому) – типовая функция МК встраиваемой МП-системы управления.

Второе назначение интерфейса периферийных устройств в системах с МК - связь МК с другими интегральными схемами (ИС) платы встраиваемой МП-системы (рис. 1). Несмотря на то, что современные МК имеют в своем составе все основные компоненты системы обработки информации, технические характеристики встроенных модулей МК не всегда удовлетворяют условиям задачи. Один из наиболее ярких примеров – необходимость включения в состав устройства энергонезависимой памяти данных объемом от 64 Кбайт и выше. В качестве такой памяти не может быть использовано резидентное ПЗУ

Рис. 1. Пример системы сбора данных

8-разрядных МК, т.к. МК с таким объемом ПЗУ не существует. Следовательно, должна быть использована внешняя ИС памяти. Но 8-разрядные МК имеют закрытую архитектуру. Поэтому традиционное решение с использованием магистралей адреса и данных не может быть использовано для сопряжения МК со схемой памяти. Однако выход из положения был найден: память снабдили специальной схемой управления, которая способна принимать данные в последовательном коде, преобразовывать их в параллельный код, а затем производить операцию записи принятых данных в ячейки памяти с заданными адресами. В режиме считывания эта же схема управления преобразует параллельный код в последовательный и передает содержимое ячейки памяти в МК. Скорость обмена в последовательном коде между МК и периферийной ИС чрезвычайно высока – до 10 Мбит/с, поэтому рассматриваемое решение оказалось приемлемым с точки зрения быстродействия и очень привлекательным с точки зрения минимизации габаритов МП-системы. Число линий связи сокращается, и можно отойти от многослойной технологии при сохранении минимальной площади платы: очень выгодное решение для дешевых систем, коими системы с 8-разрядными МК и являются. Предложенный способ сопряжения оказался столь удачным, что его стали использовать в других периферийных ИС, таких, как АЦП, ЦАП, часы реального времени и т.д. Сопряжение с периферийными ИС по высокоскоростному последовательному интерфейсу стало основой схемотехники встраиваемых МП-систем на базе 8-разрядных МК.

1.3. Интерфейс лвс

Интерфейс ЛВС – интерфейс локальной вычислительной сети – используется для включения встраиваемой МП-системы в локальную вычислительную сеть, которая представляет собой систему рабочих станций на базе персональных компьютеров и программируемых контроллеров, связанных между собой каналами передачи данных и территориально расположенных, как правило, в пределах одного здания. Наиболее близок разработчику встраиваемых МП-систем пример локальной вычислительной сети на основе нескольких МП-контроллеров. Например, ЛВС овощехранилища, где в каждом помещении управление режимом хранения продуктов ведется автоматизированным способом при помощи программируемого контроллера. Режим хранения задается с персонального компьютера оператора, об отклонениях климата в помещении контроллер сообщает на пульт оператора. Внимательный читатель может заметить, что если в качестве рабочих станций ЛВС используются сплошь МП-контроллеры и только один узел представляет собой ЭВМ, а обмен данными между контроллерами без участия ЭВМ не предусмотрен, то такую систему можно вполне квалифицировать как интерфейс периферийных устройств. Действительно, в случае распределенной системы управления грань между этими типами интерфейсов только на основе функционального описания провести трудно. Отличительным признаком может служить характер протокола обмена. Если протокол предусматривает арбитраж, т.е. управление доступом к шине при попытке инициализации связи более чем одним узлом, то такую сеть следует считать локальной. А если арбитраж не предусмотрен и все сеансы обмена инициируются только ПК, то такая система по характеристикам ближе к интерфейсу периферийных устройств.

Локальные вычислительные сети на уровне распределенных систем управления наиболее часто встречаются при решении задач промышленной автоматизации. Поэтому в связи со встраиваемыми МП-системами, объединенными в локальную сеть, чаще используется термин "промышленная сеть". Промышленные интерфейсы связи используют протоколы, отличные от локальных и глобальных вычислительных сетей. Компании, специализирующиеся в области средств автоматизации, разрабатывают собственные стандарты. Например, DH-485 компании Allen Bradley или Profibus фирмы Siemens. А для относительно простых устройств, состоящих из двух-трех (обычно до пяти) МК часто используются собственные протоколы. Но в основе всех промышленных сетей лежит последовательный интерфейс.

2. Последовательные интерфейсы

Последовательные интерфейсы, используемые для связи с периферийными устройствами, стандартизированы. В настоящее время наиболее популярными являются последовательный синхронный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface), предложенный компанией Motorola, и двухпроводной интерфейс I²C (Inter-Integrated Circuit), разработанный компанией Philips. Появился новый класс ИС периферийных устройств с последовательным выходом, которые поддерживают протоколы SPI и I²C. По определению такие интерфейсы тоже должны быть отнесены к интерфейсам периферийных устройств, но если раньше МК выступал в роли части периферийного устройства, то теперь он превратился в маленькую ЭВМ, которая связывается уже со своими периферийными устройствами, используя стандартный периферийный интерфейс. Желая подчеркнуть отличие периферийного интерфейса первого типа от второго, последний часто определяют как "внутриплатный", обращая тем самым внимание на то, что связь осуществляется на плате встраиваемой МП-системы. Аналогичные решения используются также для связи МК с панелью индикатора или пультом управления, которые конструктивно выполнены на другой плате. Не все периферийные ИС, особенно это относится к датчикам физических величин с последовательным выходом, поддерживают протоколы SPI и I²C. Тогда, в соответствии с классификацией интерфейсов, интерфейс связи с такими ИС следует характеризовать как приборный. С технической точки зрения такие ИС могут потребовать использования метода программной эмуляции контроллера связи вместо применения модуля встроенного последовательного приемопередатчика. Однако сущность не изменится: такой способ сопряжения обеспечивает малое число проводов связи или малое число дорожек платы. Справедливости ради, следует отметить, что приборные интерфейсы с наиболее удачными протоколами как раз и становятся впоследствии периферийными. Сопряжение по последовательному интерфейсу имеет и еще одно преимущество: возможность дешевой потенциальной развязки, т.к. число каналов невелико.