Hardware-grænseflader

En grænseflade (interaktion) er forbindelsen mellem komponenter og deltagere i et mikroprocessorsystem.

V mikroprocessor system omfatter: hardware, software og mennesker... Derfor skelnes der mellem følgende typer grænseflader:

• hardware interface;

• software interface;

• brugergrænseflade.

Programmeringsgrænseflade leveret af operativsystemet (hvis nogen). De mest almindelige brugergrænseflader er en grafisk grænseflade (for eksempel et computerskrivebord med ikoner eller kommandoknapper i Microsoft Office Word-editoren) og en joystick-grænseflade, hvor vi vælger den kommando, vi skal bruge, ved at navigere gennem menuer (for eksempel mobiltelefoner , programmerbare controllere), som også er en type GUI.

En hardwaregrænseflade er et system af busser, stik, matchende enheder, algoritmer og protokoller, der giver kommunikation mellem alle dele af et mikroprocessorsystem. Systemets ydeevne og pålidelighed afhænger af grænsefladens karakteristika.

I indlejrede mikroprocessorsystemer leveres hardwaregrænsefladen af ​​CPU-offload-controllere.Controller Det er et specialiseret mikrokredsløb designet til at udføre overvågnings- og kontrolfunktioner. Controlleren styrer driften af ​​enheden, for eksempel harddisk, random access memory, tastatur, og sikrer forbindelsen af ​​denne enhed med andre deltagere i MS.

Dæk styres af broer... I komplekse MS, for eksempel, såsom en personlig computer, er den centrale plads optaget af «ChipSet» (ChipSet) - et sæt broer og controllere. Chipsættet indeholder to hovedchips, som traditionelt kaldes sydbroen og nordbroen (Figur 1). Northbridge betjener systembussen, hukommelsesbussen, AGP (accelereret grafikport) og er computerens hovedcontroller. Sydbroen håndterer arbejde med eksterne enheder (PCI-bus — I/O-bus til tilslutning af perifere enheder).

Figur 1 — Dataudvekslingsorganisationer i personlige computere (pc'er)

Organiseringen af ​​interaktionen mellem processoren og eksterne enheder er den sværeste på grund af deres store variation.

Parallelle grænseflader er kendetegnet ved, at de bruger separate signallinjer til at transmittere bit, og bits transmitteres samtidigt. Den klassiske parallelle grænseflade er en LPT-port.

En seriel datatransmissionsgrænseflade bruger en enkelt signallinje, over hvilken bits af information sendes sekventielt efter hinanden.

Den enkleste serielle grænseflade, som er blevet udbredt både i computere og i industrielle systemer, er RS-232-standarden, som er implementeret af COM — porte... I industriel automation er den meget brugt RS-485.

En USB-bus (Universal Serial Bus) forbinder en lang række perifere enheder til din computer, inklusive mobiltelefoner og forbrugerelektronik.

Den første grænsefladespecifikation kaldes USB 1.0, USB 2.0-specifikationen bruges i øjeblikket, moderne enheder er tilsluttet USB 3.0-specifikationen.

USB 2.0-standarden indeholder fire linjer: datamodtagelse og -transmission, +5 V strømforsyning og etui. Ud over disse tilføjer USB 3.0 yderligere fire kommunikationslinjer (2 til modtagelse og to til at sende) og et etui.

USB-bussen har en høj båndbredde (USB 2.0 giver en maksimal dataoverførselshastighed på op til 480 Mbps, USB 3.0 — op til 5,0 Gbps) og giver ikke kun dataoverførsel, men også strømforsyning til eksterne enheder med lav effekt (maksimal strømstyrke) forbrugsenhed gennem USB-bussens strømledninger, bør ikke overstige 500 mA for USB 2.0 og 900 mA for USB 3.0), hvilket eliminerer behovet for eksterne strømforsyninger.

Trådløse (trådløse) grænseflader giver dig mulighed for at bevæge dig væk fra kommunikationskabler, hvilket især er vigtigt for enheder af lille størrelse, i størrelse og vægt sammenlignelig med kabler. Brug af trådløse grænseflader elektromagnetiske bølger infrarøde (IrDA) og radiofrekvensområder (Bluetooth, USB trådløs).

Et infrarødt IrDA-interface tillader trådløs kommunikation mellem to enheder i en afstand på op til 1 meter. Infrarød kommunikation - IR (infrarød) forbindelse - sikker for sundheden, forårsager ikke interferens i radiofrekvensområdet og sikrer privatlivets fred for transmissionen. Infrarøde stråler passerer ikke gennem vægge, så receptionsområdet er begrænset til et lille, let kontrollerbart område.

Bluetooth (blå tand) er en laveffekt radiogrænseflade (sendereffekt kun ca. 1 mW) til organisering af personlige netværk, der giver datatransmission i realtid over korte afstande. Hver Bluetooth-enhed har en 2,4 GHz radiosender og -modtager. Rækkevidden af ​​radiogrænsefladen er omkring 100 m - for at dække et standardhus.

Trådløs USB (trådløs USB) — et kortrækkende radiointerface med høj båndbredde: 480 Mbps i en afstand på op til 3 meter og 110 Mbps i en afstand på op til 10 meter. Den fungerer i frekvensområdet 3,1 — 10,6 GHz.

Et RS-232 (RS — Recommended Standard) interface forbinder to enheder — en computer og en dataoverførselsenhed. Overførselshastigheden er 115 Kbps (maksimum), transmissionsafstanden er 15 m (maksimum), forbindelsesskemaet er punkt-til-punkt.

Signaler fra denne grænseflade transmitteres med et spændingsfald på (3 … 15) V, derfor er længden af ​​RS-232-kommunikationslinjen som regel begrænset til en afstand på flere meter på grund af lav støjimmunitet. Det bruges oftest i industrielt udstyr, i en personlig computer bruges det til at forbinde en "mus" type manipulator, et modem. RS-232-grænsefladen tillader generelt ikke netværk, da den kun forbinder 2 enheder.

Figur 2 — DB9-type RS-232-stik

RS-485 interface er en meget brugt højhastigheds, anti-jamming industriel seriel interface til tovejs datatransmission. Næsten alle moderne computere i industrielt design, de fleste sensorer og drev indeholder en eller anden implementering af RS-485-grænsefladen.

Et snoet par ledninger (snoet par) er tilstrækkeligt til datatransmission og modtagelse.Datatransmission udføres ved hjælp af differentielle signaler (det originale signal går på den ene ledning, og dets omvendte kopi er på den anden.). Spændingsforskellen på en polaritet mellem ledningerne betyder en logisk, forskellen på den anden polaritet betyder nul.

Ved tilstedeværelse af ekstern interferens er udtagene i tilstødende ledninger de samme, og da signalet er potentialforskellen i ledningerne, forbliver signalniveauet uændret. Dette giver høj støjimmunitet og en samlet længde af kommunikationslinjen op til 1 km (og mere med brug af specielle enheder — repeatere).

RS-485-grænsefladen giver dataudveksling mellem flere enheder over en to-leder kommunikationslinje i halv-dupleks-tilstand (modtagelse og transmission går gennem et par tidsadskilte ledninger). Det er meget brugt i industrien til at skabe proceskontrolsystemer.

Ethernet (ether — ether) — datatransmissionsteknologi, der bruges i de fleste lokale computernetværk. Denne grænseflade er baseret på standarden IEE 802.3. Mens RS-485-grænsefladen kan betragtes som en-til-mange-basis, fungerer Ethernet på en mange-til-mange-basis.

Der er flere muligheder afhængigt af bithastigheden og transmissionsmediet:

• Ethernet — 10 Mbps

• Fast Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Koaksialkabel, snoet par (lav pris, høj støjimmunitet) og optisk kabel (oprettelse af længere linjer og højhastighedskommunikationskanaler) bruges som transmissionsmedier.

Twisted pair (snoet par) — en type kommunikationskabel, er et eller flere par isolerede ledninger snoet sammen og dækket med en plastikkappe.

For eksempel FTP-kabel (snoet par — parsnoet med en fælles folieskærm og kobberleder til dræning af inducerede strømme), 4 par (fast), kategori 5e (figur 3). Kablet er beregnet til stationær installation i bygninger, konstruktioner og arbejde i strukturerede kabelsystemer. Designet til applikationer, der opererer i frekvensområdet med en øvre grænse på 100 MHz.

Figur 3 — snoet par: 1 — ydre kappe, 2 — folieskjold, 3 — dræntråd, 4 — beskyttelsesfilm, 5 — par snoet

På det fysiske niveau er Ethernet-protokollen implementeret i form af netværkskort indlejret i mikroprocessorsystemer og hubs, der forbinder systemerne med hinanden.

Industrielle netværk (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) er bygget på basis af Ethernet, som med succes konkurrerer med de tidligere udviklede netværk Profibus, DeviceNet, CANopen mv.