Интерфейс (взаимодействие) – это взаимосвязь между компонентами и участниками микропроцессорной системы.
В микропроцессорную систему входят: аппаратное обеспечение, программное обеспечение и человек. Поэтому выделяют следующие виды интерфейсов:
-
аппаратный интерфейс;
-
программный интерфейс;
-
интерфейс пользователя.
Программный интерфейс обеспечивается операционной системой (если таковая имеется). Наиболее распространенными интерфейсами пользователя являются графический интерфейс (например, рабочий стол PC с иконками или кнопки команд в редакторе Microsoft Office Word) и интерфейс «джойстика», когда мы выбираем необходимую нам команду, перемещаясь по меню (например, мобильные телефоны, программируемые контроллеры), что также является видом графического интерфейса.
Аппаратный интерфейс представляет собой систему шин, разъемов, согласующих устройств, алгоритмов и протоколов, обеспечивающих связь всех частей микропроцессорной системы между собой. От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность системы.
В развернутых микропроцессорных системах для разгрузки процессора аппаратный интерфейс обеспечивается контроллерами. Контроллер – это специализированная микросхема, предназначенная для выполнения функций контроля и управления. Контроллер осуществляет управление работой устройства, например, жестким диском, оперативной памятью, клавиатурой и обеспечивает взаимосвязь этого устройства с другими участниками МС.
Управление шинами осуществляют мосты. В сложных МС, например, таких как персональный компьютер, центральное место занимает «чипсет» (ChipSet) – набор мостов и контроллеров. Чипсет включает две главные микросхемы, которые традиционно называют южный мост и северный мост (рисунок 1). Северный мост обслуживает системную шину, шину памяти, AGP (ускоренный графический порт) и является главным контроллером компьютера. Южный мост обслуживает работу с внешними устройствами (шина PCI - шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств).
Рисунок 1 - Организации обмена данными в персональных компьютерах (РС)
Наиболее сложна организация взаимодействия процессора и внешних устройств, что связано с большим их разнообразием.
Параллельные интерфейсы характеризуются тем, что в них для передачи бит используются отдельные сигнальные линии, и биты передаются одновременно. Классическим параллельным интерфейсом является LPT-порт.
Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно.
Простейшим последовательным интерфейсом, получившим распространение как в PC, так и в промышленных системах, является стандарт RS-232, реализуемый СОМ - портами. В промышленной автоматике широко применяется RS-485.
Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) обеспечивает подключение к компьютеру большое количество разнообразных периферийных устройств, в том числе мобильные телефоны и бытовую электронику.
Первая спецификация интерфейса имела название USB 1.0, в настоящее время используется спецификация USB 2.0, современные устройства интерфейсом спецификации USB 3.0.
Стандарт USB 2.0 содержит в себе четыре линии: приём и передача данных, питание +5 В и корпус. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет еще четыре линии связи (2 на прием и две на передачу) и корпус.
Шина USB имеет высокую пропускную способность (USB 2.0 обеспечивает максимальную скорость передачи информации до 480 Мбит/с, USB 3.0 - до 5,0 Гбит/с) и обеспечивает не только передачу данных, но и питание маломощных внешних устройств (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА для USB 2.0 и 900 мА для USB 3.0), что позволяет не использовать внешних источников питания.
Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют уйти от кабелей связи, что особенно актуально для малогабаритных устройств, по размеру и весу соизмеримых с кабелями. В беспроводных интерфейсах используются электромагнитные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Bluetooth, USB wireless) диапазонов.
Инфракрасный интерфейс IrDA позволяет осуществлять беспроводную связь между двумя устройствами на расстоянии до 1 метра. Инфракрасная связь - IR (Infra Red) Connection - безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством.
Bluetooth (синий зуб) - радиоинтерфейс с низким энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей, обеспечивающий передачу данных в режиме реального времени на небольшие расстояния. Каждое устройство Bluetooth имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диа¬пазоне частот 2,4 ГГц. Дальность действия радиоинтерфейса составляется около 100 м - для покрытия стандартного дома.
Беспроводной USB (USB wireless) – радиоинтерфейс малой дальности с высокой пропускной способностью: 480 Мбит/с на расстоянии до 3 метров и 110 Мбит/с на расстоянии до 10 метров. Работает в диапазоне частот 3,1 - 10,6 ГГц.
Интерфейс RS-232 (RS - recommended standard - рекомендованный стандарт) соединяет два устройства - компьютер и устройство передачи данных. Скорость передачи - 115 Кбит/с (максимум), расстояние передачи - 15 м (максимум), схема соединения - от точки к точке.
Сигналы этого интерфейса передаются перепадами напряжения величиной (3…15) В, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров из-за низкой помехоустойчивости. Чаще всего используется в промышленном оборудовании, в персональном компьютере использовался для подключения манипулятора типа «мышь», модема. Интерфейс RS-232 принципиально не позволяет создавать сети, так как соединяет только 2 устройства.
Рисунок 2 - Разъем RS-232 типа DB9
Интерфейс RS-485 - широко распространенный высокоскоростной и помехоустойчивый промышленный последовательный интерфейс двунаправленной передачи данных. Практически все современные компьютеры в промышленном исполнении, большинство датчиков и исполнительных устройств содержат в своем составе ту или иную реализацию интерфейса RS-485.
Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников (витая пара). Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов (по одному проводу идет оригинальный сигнал, а по другому - его инверсная копия.). Разница напряжений одной полярности между проводниками означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.
При наличии внешних помех, наводки в соседних проводах одинаковы, и так как сигналом является разность потенциалов в проводниках, уровень сигнала остаётся неизменным. Это обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более с использованием специальных устройств – повторителей).
Интерфейс RS-485 обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме (Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени). Широко используется в промышленности при создании АСУ ТП.
Ethernet (ether - эфир) - технология передачи данных, используемая в большинстве локальных компьютерных сетей. Этот интерфейс базируется на стандарте IEE 802.3. Если интерфейс RS-485 можно рассматривать по принципу «один ко многим», то Ethernet работает по принципу «многие ко многим».
В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов:
-
Ethernet - 10 Мбит/с
-
Быстрый (Fast) Ethernet - 100 Мбит/с
-
Гигабитный (Gigabit) Ethernet - 1 Гбит/с
-
10-гигабитный Ethernet
В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, витая пара (невысокая стоимость, высокая помехоустойчивость) и оптоволоконный кабель (создание более длинных линий и высокоскоростных каналов связи).
Витая пара (twisted pair) - вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых пластиковой оболочкой.
Например, кабель FTP (foiled twisted pair — витая пара с общим экраном из фольги и медным проводником для отвода наведенных токов), 4 пары (solid), категория 5e (рисунок 3). Кабель предназначен для стационарной прокладки внутри зданий, сооружений и эксплуатации в структурированных кабельных системах. Разработан для приложений, работающих в частотном диапазоне с верхней границей 100 МГц.
Рисунок 3 - Витая пара: 1 - Внешняя оболочка, 2 - Экран-фольга, 3 - Дренажный провод, 4 - Защитная пленка, 5 - Витая пара
На физическом уровне протокол Ethernet реализован в виде сетевых карт, встраиваемых в микропроцессорные системы, и концентраторов, соединяющих системы друг с другом.
На основе Ethernet строят промышленные сети (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink), которые успешно конкурируют с ранее разработанными сетями Profibus, DeviceNet, CANopen и др.