Διεπαφές υλικού

Μια διεπαφή (αλληλεπίδραση) είναι η σύνδεση μεταξύ των στοιχείων και των συμμετεχόντων σε ένα σύστημα μικροεπεξεργαστή.

V σύστημα μικροεπεξεργαστή περιλαμβάνει: υλικό, λογισμικό και άτομα... Επομένως, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι διεπαφών:

• διεπαφή υλικού?

• διεπαφή λογισμικού?

• διεπαφή χρήστη.

Διεπαφή προγραμματισμού που παρέχεται από το λειτουργικό σύστημα (εάν υπάρχει). Οι πιο συνηθισμένες διεπαφές χρήστη είναι μια γραφική διεπαφή (για παράδειγμα, μια επιφάνεια εργασίας υπολογιστή με εικονίδια ή κουμπιά εντολών στο πρόγραμμα επεξεργασίας Microsoft Office Word) και μια διεπαφή joystick, όπου επιλέγουμε την εντολή που χρειαζόμαστε πλοηγώντας σε μενού (για παράδειγμα, κινητά τηλέφωνα , προγραμματιζόμενοι ελεγκτές) , που είναι επίσης ένας τύπος GUI.

Μια διεπαφή υλικού είναι ένα σύστημα διαύλων, συνδέσεων, συσκευών αντιστοίχισης, αλγορίθμων και πρωτοκόλλων που παρέχουν επικοινωνία μεταξύ όλων των τμημάτων ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή. Η απόδοση και η αξιοπιστία του συστήματος εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά της διεπαφής.

Στα ενσωματωμένα συστήματα μικροεπεξεργαστή, η διεπαφή υλικού παρέχεται από τους ελεγκτές εκφόρτωσης της CPU.Ελεγκτής Είναι ένα εξειδικευμένο μικροκύκλωμα σχεδιασμένο να εκτελεί λειτουργίες παρακολούθησης και ελέγχου. Ο ελεγκτής διαχειρίζεται τη λειτουργία της συσκευής, για παράδειγμα, σκληρό δίσκο, μνήμη τυχαίας πρόσβασης, πληκτρολόγιο και διασφαλίζει τη σύνδεση αυτής της συσκευής με άλλους συμμετέχοντες στο MS.

Τα ελαστικά ελέγχονται από γέφυρες... Σε πολύπλοκα MS, για παράδειγμα, όπως ένας προσωπικός υπολογιστής, την κεντρική θέση κατέχει το «ChipSet» (ChipSet) - ένα σύνολο γεφυρών και ελεγκτών. Το chipset περιέχει δύο κύρια τσιπ, τα οποία παραδοσιακά ονομάζονται νότια γέφυρα και βόρεια γέφυρα (Εικόνα 1). Η βόρεια γέφυρα εξυπηρετεί το δίαυλο συστήματος, το δίαυλο μνήμης, το AGP (θύρα επιταχυνόμενων γραφικών) και είναι ο κύριος ελεγκτής του υπολογιστή. Οι λαβές της νότιας γέφυρας λειτουργούν με εξωτερικές συσκευές (δίαυλος PCI — δίαυλος I/O για σύνδεση περιφερειακών συσκευών).

Εικόνα 1 — Οργανισμοί ανταλλαγής δεδομένων σε προσωπικούς υπολογιστές (PC)

Η οργάνωση της αλληλεπίδρασης μεταξύ του επεξεργαστή και των εξωτερικών συσκευών είναι η πιο δύσκολη, λόγω της μεγάλης ποικιλίας τους.

Οι παράλληλες διεπαφές χαρακτηρίζονται από το ότι χρησιμοποιούν ξεχωριστές γραμμές σήματος για τη μετάδοση bits και τα bit μεταδίδονται ταυτόχρονα. Η κλασική παράλληλη διεπαφή είναι μια θύρα LPT.

Μια διασύνδεση σειριακής μετάδοσης δεδομένων χρησιμοποιεί μια ενιαία γραμμή σήματος μέσω της οποίας μεταδίδονται διαδοχικά κομμάτια πληροφοριών το ένα μετά το άλλο.

Η απλούστερη σειριακή διεπαφή, η οποία έχει γίνει ευρέως διαδεδομένη τόσο σε υπολογιστές όσο και σε βιομηχανικά συστήματα, είναι το πρότυπο RS-232, το οποίο υλοποιείται από τις θύρες COM —... Στον βιομηχανικό αυτοματισμό, χρησιμοποιείται ευρέως το RS-485.

Ένας δίαυλος USB (Universal Serial Bus) συνδέει μια μεγάλη ποικιλία περιφερειακών συσκευών στον υπολογιστή σας, συμπεριλαμβανομένων των κινητών τηλεφώνων και των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης.

Η πρώτη προδιαγραφή διεπαφής ονομάζεται USB 1.0, η προδιαγραφή USB 2.0 χρησιμοποιείται αυτήν τη στιγμή, οι σύγχρονες συσκευές είναι συνδεδεμένες στην προδιαγραφή USB 3.0.

Το πρότυπο USB 2.0 περιέχει τέσσερις γραμμές: λήψη και μετάδοση δεδομένων, τροφοδοτικό +5 V και θήκη. Εκτός από αυτά, το USB 3.0 προσθέτει τέσσερις ακόμη γραμμές επικοινωνίας (2 για λήψη και δύο για μετάδοση) και μια θήκη.

Ο δίαυλος USB έχει υψηλό εύρος ζώνης (το USB 2.0 παρέχει μέγιστο ρυθμό μεταφοράς δεδομένων έως και 480 Mbps, το USB 3.0 — έως 5,0 Gbps) και παρέχει όχι μόνο μεταφορά δεδομένων, αλλά και τροφοδοσία σε εξωτερικές συσκευές χαμηλής κατανάλωσης (μέγιστο ρεύμα συσκευή κατανάλωσης μέσω των γραμμών τροφοδοσίας του διαύλου USB, δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 500 mA για USB 2.0 και 900 mA για USB 3.0), γεγονός που εξαλείφει την ανάγκη για εξωτερικά τροφοδοτικά.

Οι ασύρματες (ασύρματες) διεπαφές σάς επιτρέπουν να απομακρυνθείτε από τα καλώδια επικοινωνίας, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για συσκευές μικρού μεγέθους, σε μέγεθος και βάρος συγκρίσιμο με τα καλώδια. Χρήση ασύρματων διεπαφών Ηλεκτρομαγνητικά κύματα Εύρος υπέρυθρων (IrDA) και ραδιοσυχνοτήτων (Bluetooth, ασύρματο USB).

Μια διεπαφή υπέρυθρων IrDA επιτρέπει την ασύρματη επικοινωνία μεταξύ δύο συσκευών σε απόσταση έως και 1 μέτρου. Υπέρυθρη επικοινωνία - Σύνδεση IR (υπέρυθρη) - ασφαλής για την υγεία, δεν προκαλεί παρεμβολές στο εύρος ραδιοσυχνοτήτων και διασφαλίζει το απόρρητο της μετάδοσης. Οι υπέρυθρες ακτίνες δεν περνούν μέσα από τοίχους, επομένως ο χώρος λήψης περιορίζεται σε μια μικρή, εύκολα ελεγχόμενη περιοχή.

Το Bluetooth (μπλε δόντι) είναι μια διεπαφή ραδιοφώνου χαμηλής κατανάλωσης (ισχύς πομπού μόνο περίπου 1 mW) για την οργάνωση προσωπικών δικτύων που παρέχουν μετάδοση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο σε μικρές αποστάσεις. Κάθε συσκευή Bluetooth διαθέτει πομπό και δέκτη ραδιοφώνου 2,4 GHz. Η εμβέλεια της διεπαφής ραδιοφώνου είναι περίπου 100 m — για να καλύψει ένα τυπικό σπίτι.

Ασύρματο USB (ασύρματο USB) — μια ραδιοεπικοινωνία μικρής εμβέλειας με υψηλό εύρος ζώνης: 480 Mbps σε απόσταση έως 3 μέτρα και 110 Mbps σε απόσταση έως 10 μέτρων. Λειτουργεί στην περιοχή συχνοτήτων 3,1 - 10,6 GHz.

Μια διεπαφή RS-232 (RS — Recommended Standard) συνδέει δύο συσκευές — έναν υπολογιστή και μια συσκευή μεταφοράς δεδομένων. Η ταχύτητα μετάδοσης είναι 115 Kbps (μέγιστη), η απόσταση μετάδοσης είναι 15 m (μέγιστη), το σχήμα σύνδεσης είναι από σημείο σε σημείο.

Τα σήματα από αυτή τη διεπαφή μεταδίδονται με πτώση τάσης (3 … 15) V, επομένως το μήκος της γραμμής επικοινωνίας RS-232 περιορίζεται, κατά κανόνα, σε απόσταση πολλών μέτρων λόγω χαμηλής ατρωσίας θορύβου. Χρησιμοποιείται συχνότερα σε βιομηχανικό εξοπλισμό, σε προσωπικό υπολογιστή χρησιμοποιείται για τη σύνδεση ενός χειριστή τύπου "ποντικιού", ενός μόντεμ. Η διεπαφή RS-232 γενικά δεν επιτρέπει τη δικτύωση καθώς συνδέει μόνο 2 συσκευές.

Εικόνα 2 — Υποδοχή τύπου DB9 RS-232

Η διασύνδεση RS-485 είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη βιομηχανική σειριακή διεπαφή υψηλής ταχύτητας, κατά της εμπλοκής για αμφίδρομη μετάδοση δεδομένων. Σχεδόν όλοι οι σύγχρονοι υπολογιστές βιομηχανικού σχεδιασμού, οι περισσότεροι αισθητήρες και μονάδες δίσκου περιέχουν τη μία ή την άλλη υλοποίηση της διεπαφής RS-485.

Ένα συνεστραμμένο ζεύγος καλωδίων (συνεστραμμένο ζεύγος) είναι αρκετό για μετάδοση και λήψη δεδομένων.Η μετάδοση δεδομένων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας διαφορικά σήματα (το αρχικό σήμα πηγαίνει στο ένα καλώδιο και το αντίστροφο αντίγραφό του βρίσκεται στο άλλο.). Η διαφορά τάσης μιας πολικότητας μεταξύ των καλωδίων σημαίνει λογική, η διαφορά της άλλης πολικότητας σημαίνει μηδέν.

Με την παρουσία εξωτερικών παρεμβολών, οι βρύσες στα παρακείμενα καλώδια είναι οι ίδιες και δεδομένου ότι το σήμα είναι η διαφορά δυναμικού στα καλώδια, το επίπεδο σήματος παραμένει αμετάβλητο. Αυτό παρέχει υψηλή ατρωσία θορύβου και συνολικό μήκος της γραμμής επικοινωνίας έως και 1 km (και περισσότερο με τη χρήση ειδικών συσκευών — επαναλήπτες).

Η διασύνδεση RS-485 παρέχει ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ πολλών συσκευών μέσω μιας γραμμής επικοινωνίας δύο καλωδίων σε λειτουργία ημι-αμφίδρομης λειτουργίας (η λήψη και η μετάδοση περνούν από ένα ζεύγος καλωδίων που χωρίζονται χρονικά). Χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία για τη δημιουργία συστημάτων ελέγχου διεργασιών.

Ethernet (αιθέρας — αιθέρας) — τεχνολογία μετάδοσης δεδομένων που χρησιμοποιείται στα περισσότερα τοπικά δίκτυα υπολογιστών. Αυτή η διασύνδεση βασίζεται στο πρότυπο IEE 802.3. Ενώ η διασύνδεση RS-485 μπορεί να εξεταστεί σε βάση ένα προς πολλά, το Ethernet λειτουργεί με βάση πολλά προς πολλά.

Υπάρχουν πολλές επιλογές ανάλογα με τον ρυθμό μετάδοσης bit και το μέσο μετάδοσης:

• Ethernet — 10 Mbps

• Γρήγορο Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Ως μέσα μετάδοσης χρησιμοποιούνται ομοαξονικό καλώδιο, συνεστραμμένο ζεύγος (χαμηλό κόστος, ανοσία υψηλής θορύβου) και οπτικό καλώδιο (δημιουργία μεγαλύτερων γραμμών και καναλιών επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας).

Συνεστραμμένο ζεύγος (συνεστραμμένο ζεύγος) — ένας τύπος καλωδίου επικοινωνίας, είναι ένα ή περισσότερα ζεύγη μονωμένων συρμάτων στριμμένα μεταξύ τους και καλυμμένα με πλαστική θήκη.

Για παράδειγμα, καλώδιο FTP (συνεστραμμένο ζεύγος — συνεστραμμένο ζεύγος με κοινό φύλλο ασπίδας και χάλκινο αγωγό για την αποστράγγιση των επαγόμενων ρευμάτων), 4 ζεύγη (συμπαγές), κατηγορία 5e (Εικόνα 3). Το καλώδιο προορίζεται για σταθερή εγκατάσταση σε κτίρια, κατασκευές και εργασίες σε δομημένα καλωδιακά συστήματα. Σχεδιασμένο για εφαρμογές που λειτουργούν στην περιοχή συχνοτήτων με ανώτατο όριο 100 MHz.

Εικόνα 3 — συνεστραμμένο ζεύγος: 1 — εξωτερικό περίβλημα, 2 — αλουμινόχαρτο, 3 — σύρμα αποστράγγισης, 4 — προστατευτική μεμβράνη, 5 — συνεστραμμένο ζεύγος

Σε φυσικό επίπεδο, το πρωτόκολλο Ethernet υλοποιείται με τη μορφή καρτών δικτύου ενσωματωμένων σε συστήματα μικροεπεξεργαστών και διανομείς που συνδέουν τα συστήματα μεταξύ τους.

Τα βιομηχανικά δίκτυα (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) είναι χτισμένα με βάση το Ethernet, τα οποία ανταγωνίζονται με επιτυχία τα δίκτυα Profibus, DeviceNet, CANopen κ.λπ.