Maskinvaregrensesnitt

Et grensesnitt (interaksjon) er forbindelsen mellom komponenter og deltakere i et mikroprosessorsystem.

V mikroprosessorsystem inkluderer: maskinvare, programvare og mennesker... Derfor skilles følgende typer grensesnitt:

• maskinvare grensesnitt;

• programvare grensesnitt;

• brukergrensesnitt.

Programmeringsgrensesnitt levert av operativsystemet (hvis noen). De vanligste brukergrensesnittene er et grafisk grensesnitt (for eksempel et skrivebord på datamaskinen med ikoner eller kommandoknapper i Microsoft Office Word-editoren) og et styrespakgrensesnitt, der vi velger kommandoen vi trenger ved å navigere gjennom menyer (for eksempel mobiltelefoner) , programmerbare kontrollere) , som også er en type GUI.

Et maskinvaregrensesnitt er et system av busser, kontakter, matchende enheter, algoritmer og protokoller som gir kommunikasjon mellom alle deler av et mikroprosessorsystem. Ytelsen og påliteligheten til systemet avhenger av egenskapene til grensesnittet.

I innebygde mikroprosessorsystemer leveres maskinvaregrensesnittet av CPU-avlastningskontrollerne.Kontroller Det er en spesialisert mikrokrets designet for å utføre overvåkings- og kontrollfunksjoner. Kontrolleren styrer driften av enheten, for eksempel harddisk, minne med tilfeldig tilgang, tastatur, og sikrer tilkoblingen av denne enheten med andre deltakere i MS.

Dekk styres av broer... I komplekse MS, for eksempel, som en personlig datamaskin, er den sentrale plassen okkupert av «ChipSet» (ChipSet) - et sett med broer og kontrollere. Brikkesettet inneholder to hovedbrikker, som tradisjonelt kalles sørbroen og nordbroen (Figur 1). Northbridge betjener systembussen, minnebussen, AGP (akselerert grafikkport) og er hovedkontrolleren til datamaskinen. Den sørlige broen håndterer arbeid med eksterne enheter (PCI-buss — I/O-buss for tilkobling av eksterne enheter).

Figur 1 — Datautvekslingsorganisasjoner i personlige datamaskiner (PCer)

Organiseringen av interaksjonen mellom prosessoren og eksterne enheter er den vanskeligste, på grunn av deres store variasjon.

Parallelle grensesnitt er karakterisert ved at de bruker separate signallinjer for å overføre biter og bitene sendes samtidig. Det klassiske parallelle grensesnittet er en LPT-port.

Et serielt dataoverføringsgrensesnitt bruker en enkelt signallinje over hvilken informasjonsbiter sendes sekvensielt etter hverandre.

Det enkleste serielle grensesnittet, som har blitt utbredt både i datamaskiner og i industrielle systemer, er RS-232-standarden, som er implementert av COM — porter... I industriell automasjon er den mye brukt RS-485.

En USB-buss (Universal Serial Bus) kobler et bredt utvalg av eksterne enheter til datamaskinen din, inkludert mobiltelefoner og forbrukerelektronikk.

Den første grensesnittspesifikasjonen kalles USB 1.0, USB 2.0-spesifikasjonen brukes for tiden, moderne enheter er koblet til USB 3.0-spesifikasjonen.

USB 2.0-standarden inneholder fire linjer: datamottak og -overføring, +5 V strømforsyning og etui. I tillegg til disse legger USB 3.0 til ytterligere fire kommunikasjonslinjer (2 for mottak og to for overføring) og et etui.

USB-bussen har høy båndbredde (USB 2.0 gir en maksimal dataoverføringshastighet på opptil 480 Mbps, USB 3.0 — opptil 5,0 Gbps) og gir ikke bare dataoverføring, men også strømforsyning til eksterne enheter med lav effekt (maksimal strømstyrke) forbruksenhet gjennom strømledningene til USB-bussen, bør ikke overstige 500 mA for USB 2.0 og 900 mA for USB 3.0), noe som eliminerer behovet for eksterne strømforsyninger.

Trådløse (trådløse) grensesnitt lar deg bevege deg bort fra kommunikasjonskabler, noe som er spesielt viktig for enheter av liten størrelse, i størrelse og vekt som kan sammenlignes med kabler. Bruk av trådløse grensesnitt elektromagnetiske bølger infrarøde (IrDA) og radiofrekvensområder (Bluetooth, trådløs USB).

Et infrarødt IrDA-grensesnitt tillater trådløs kommunikasjon mellom to enheter i en avstand på opptil 1 meter. Infrarød kommunikasjon - IR (infrarød) tilkobling - trygt for helsen, forårsaker ikke forstyrrelser i radiofrekvensområdet og sikrer personvernet til overføringen. Infrarøde stråler passerer ikke gjennom vegger, så resepsjonsområdet er begrenset til et lite, lett kontrollert område.

Bluetooth (blå tann) er et radiogrensesnitt med lav effekt (sendereffekt kun ca. 1 mW) for organisering av personlige nettverk som gir sanntidsdataoverføring over korte avstander. Hver Bluetooth-enhet har en 2,4 GHz radiosender og mottaker. Rekkevidden til radiogrensesnittet er omtrent 100 m - for å dekke et standardhus.

Trådløs USB (trådløs USB) — et radiogrensesnitt med kort rekkevidde med høy båndbredde: 480 Mbps i en avstand på opptil 3 meter og 110 Mbps i en avstand på opptil 10 meter. Den fungerer i frekvensområdet 3,1 - 10,6 GHz.

Et RS-232-grensesnitt (RS — Recommended Standard) kobler sammen to enheter — en datamaskin og en dataoverføringsenhet. Overføringshastigheten er 115 Kbps (maksimum), overføringsavstanden er 15 m (maksimum), tilkoblingsskjemaet er punkt-til-punkt.

Signaler fra dette grensesnittet overføres med et spenningsfall på (3 … 15) V, derfor er lengden på RS-232-kommunikasjonslinjen som regel begrenset til en avstand på flere meter på grunn av lav støyimmunitet. Det brukes oftest i industrielt utstyr, i en personlig datamaskin brukes det til å koble til en "mus" type manipulator, et modem. RS-232-grensesnittet tillater vanligvis ikke nettverksbygging da det kun kobler til 2 enheter.

Figur 2 — DB9-type RS-232-kontakt

RS-485-grensesnitt er et mye brukt høyhastighets, anti-jamming industrielt seriegrensesnitt for toveis dataoverføring. Nesten alle moderne datamaskiner i industridesign, de fleste sensorer og stasjoner inneholder en eller annen implementering av RS-485-grensesnittet.

Ett tvunnet ledningspar (twisted pair) er tilstrekkelig for dataoverføring og mottak.Dataoverføring utføres ved hjelp av differensialsignaler (det originale signalet går på den ene ledningen, og dets omvendte kopi er på den andre.). Spenningsforskjellen på en polaritet mellom ledningene betyr en logisk, forskjellen på den andre polariteten betyr null.

I nærvær av ekstern interferens er kranene i tilstøtende ledninger de samme, og siden signalet er potensialforskjellen i ledningene, forblir signalnivået uendret. Dette gir høy støyimmunitet og en total lengde på kommunikasjonslinjen opp til 1 km (og mer med bruk av spesielle enheter — repeatere).

RS-485-grensesnittet gir datautveksling mellom flere enheter over en to-tråds kommunikasjonslinje i halv-dupleks-modus (mottak og overføring går gjennom ett par tidsseparerte ledninger). Det er mye brukt i industrien for å lage prosesskontrollsystemer.

Ethernet (eter – eter) – dataoverføringsteknologi som brukes i de fleste lokale datanettverk. Dette grensesnittet er basert på standarden IEE 802.3. Mens RS-485-grensesnittet kan vurderes på en-til-mange-basis, fungerer Ethernet på en mange-til-mange-basis.

Det er flere alternativer avhengig av bithastigheten og overføringsmediet:

• Ethernet — 10 Mbps

• Rask Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Koaksialkabel, tvunnet par (lav kostnad, høy støyimmunitet) og optisk kabel (oppretting av lengre linjer og høyhastighetskommunikasjonskanaler) brukes som overføringsmedier.

Twisted pair (twisted pair) - en type kommunikasjonskabel, er ett eller flere par isolerte ledninger vridd sammen og dekket med en plastkappe.

For eksempel FTP-kabel (twisted pair — tvunnet par med en felles folieskjerm og kobberleder for drenering av induserte strømmer), 4 par (solid), kategori 5e (Figur 3). Kabelen er beregnet for stasjonær installasjon i bygninger, konstruksjoner og arbeid i strukturerte kabelsystemer. Designet for applikasjoner som opererer i frekvensområdet med en øvre grense på 100 MHz.

Figur 3 — tvunnet par: 1 — ytre kappe, 2 — folieskjold, 3 — dreneringstråd, 4 — beskyttelsesfilm, 5 — tvunnet par

På det fysiske nivået er Ethernet-protokollen implementert i form av nettverkskort innebygd i mikroprosessorsystemer og huber som kobler systemene til hverandre.

Industrielle nettverk (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) er bygget på basis av Ethernet, som med suksess konkurrerer med de tidligere utviklede nettverkene Profibus, DeviceNet, CANopen, etc.