Hårdvarugränssnitt

Ett gränssnitt (interaktion) är kopplingen mellan komponenter och deltagare i ett mikroprocessorsystem.

V mikroprocessorsystem inkluderar: hårdvara, mjukvara och människor... Därför särskiljs följande typer av gränssnitt:

• hårdvarugränssnitt;

• mjukvarugränssnitt;

• användargränssnitt.

Programmeringsgränssnitt som tillhandahålls av operativsystemet (om sådant finns). De vanligaste användargränssnitten är ett grafiskt gränssnitt (till exempel ett datorskrivbord med ikoner eller kommandoknappar i Microsoft Office Word-redigeraren) och ett joystick-gränssnitt, där vi väljer det kommando vi behöver genom att navigera genom menyer (till exempel mobiltelefoner , programmerbara kontroller) , som också är en typ av GUI.

Ett hårdvarugränssnitt är ett system av bussar, kontakter, matchande enheter, algoritmer och protokoll som tillhandahåller kommunikation mellan alla delar av ett mikroprocessorsystem. Systemets prestanda och tillförlitlighet beror på gränssnittets egenskaper.

I inbäddade mikroprocessorsystem tillhandahålls hårdvarugränssnittet av CPU-avlastningskontrollerna.Styrenhet Det är en specialiserad mikrokrets utformad för att utföra övervaknings- och kontrollfunktioner. Styrenheten hanterar driften av enheten, till exempel hårddisk, random access-minne, tangentbord, och säkerställer anslutningen av denna enhet med andra deltagare i MS.

Däck styrs av broar... I komplexa MS, till exempel, som en persondator, upptas den centrala platsen av «ChipSet» (ChipSet) - en uppsättning broar och kontroller. Chipsetet innehåller två huvudchips, som traditionellt kallas för den södra bron och den norra bron (Figur 1). Northbridge betjänar systembussen, minnesbussen, AGP (accelererad grafikport) och är datorns huvudkontroller. Den södra bron hanterar arbete med externa enheter (PCI-buss — I/O-buss för anslutning av kringutrustning).

Figur 1 — Datautbytesorganisationer i persondatorer (PC)

Organiseringen av interaktionen mellan processorn och externa enheter är den svåraste, på grund av deras stora variation.

Parallella gränssnitt kännetecknas av att de använder separata signallinjer för att sända bitar och bitarna sänds samtidigt. Det klassiska parallella gränssnittet är en LPT-port.

Ett seriellt dataöverföringsgränssnitt använder en enda signallinje över vilken informationsbitar sekventiellt sänds en efter en.

Det enklaste seriella gränssnittet, som har fått stor spridning både i datorer och i industriella system, är RS-232-standarden, som implementeras av COM — portar... Inom industriell automation är den flitigt använd RS-485.

En USB-buss (Universal Serial Bus) ansluter en mängd olika kringutrustning till din dator, inklusive mobiltelefoner och hemelektronik.

Den första gränssnittsspecifikationen kallas USB 1.0, USB 2.0-specifikationen används för närvarande, moderna enheter är anslutna till USB 3.0-specifikationen.

USB 2.0-standarden innehåller fyra linjer: datamottagning och överföring, +5 V strömförsörjning och fodral. Utöver dessa lägger USB 3.0 till ytterligare fyra kommunikationslinjer (2 för mottagning och två för sändning) och ett fodral.

USB-bussen har en hög bandbredd (USB 2.0 ger en maximal dataöverföringshastighet på upp till 480 Mbps, USB 3.0 — upp till 5,0 Gbps) och ger inte bara dataöverföring utan även strömförsörjning till externa enheter med låg effekt (maximal strömstyrka) förbrukningsenhet via USB-bussens strömledningar, bör inte överstiga 500 mA för USB 2.0 och 900 mA för USB 3.0), vilket eliminerar behovet av extern strömförsörjning.

Trådlösa (trådlösa) gränssnitt låter dig ta dig bort från kommunikationskablar, vilket är särskilt viktigt för enheter av liten storlek, i storlek och vikt jämförbar med kablar. Använda trådlösa gränssnitt elektromagnetiska vågor infraröd (IrDA) och radiofrekvensområden (Bluetooth, trådlös USB).

Ett infrarött IrDA-gränssnitt möjliggör trådlös kommunikation mellan två enheter på ett avstånd på upp till 1 meter. Infraröd kommunikation - IR (infraröd) anslutning - säker för hälsan, orsakar inte störningar i radiofrekvensområdet och säkerställer integriteten för överföringen. Infraröda strålar passerar inte genom väggar, så mottagningsområdet är begränsat till ett litet, lätt kontrollerbart område.

Bluetooth (blå tand) är ett radiogränssnitt med låg effekt (sändareffekt endast cirka 1 mW) för att organisera personliga nätverk som tillhandahåller dataöverföring i realtid över korta avstånd. Varje Bluetooth-enhet har en 2,4 GHz radiosändare och mottagare. Radiogränssnittets räckvidd är cirka 100 m — för att täcka ett standardhus.

Trådlös USB (trådlös USB) — ett radiogränssnitt med kort räckvidd med hög bandbredd: 480 Mbps på ett avstånd på upp till 3 meter och 110 Mbps på ett avstånd på upp till 10 meter. Den fungerar i frekvensområdet 3,1 — 10,6 GHz.

Ett RS-232-gränssnitt (RS — Recommended Standard) ansluter två enheter — en dator och en dataöverföringsenhet. Överföringshastigheten är 115 Kbps (maximalt), överföringsavståndet är 15 m (maximalt), anslutningsschemat är punkt-till-punkt.

Signaler från detta gränssnitt sänds med ett spänningsfall på (3 … 15) V, därför är längden på RS-232-kommunikationslinjen som regel begränsad till ett avstånd på flera meter på grund av låg brusimmunitet. Det används oftast i industriell utrustning, i en persondator används det för att ansluta en "mus" typ manipulator, ett modem. RS-232-gränssnittet tillåter i allmänhet inte nätverkande eftersom det bara ansluter 2 enheter.

Figur 2 — DB9-typ RS-232-kontakt

RS-485-gränssnittet är ett allmänt använt höghastighets, anti-jamming industriellt seriellt gränssnitt för tvåvägs dataöverföring. Nästan alla moderna datorer i industriell design, de flesta sensorer och enheter innehåller en eller annan implementering av RS-485-gränssnittet.

Ett tvinnat par ledningar (tvinnat par) räcker för dataöverföring och mottagning.Dataöverföring utförs med hjälp av differentialsignaler (den ursprungliga signalen går på en tråd och dess omvända kopia är på den andra.). Spänningsskillnaden för en polaritet mellan ledningarna betyder en logisk, skillnaden mellan den andra polariteten betyder noll.

I närvaro av externa störningar är uttagen i intilliggande ledningar desamma, och eftersom signalen är potentialskillnaden i ledningarna förblir signalnivån oförändrad. Detta ger hög brusimmunitet och en total längd på kommunikationslinjen upp till 1 km (och mer med användning av speciella enheter — repeatrar).

RS-485-gränssnittet tillhandahåller datautbyte mellan flera enheter över en tvåtrådskommunikationslinje i halvduplexläge (mottagning och överföring går genom ett par tidsseparerade ledningar). Det används i stor utsträckning inom industrin för att skapa processtyrningssystem.

Ethernet (eter — eter) — dataöverföringsteknik som används i de flesta lokala datornätverk. Detta gränssnitt är baserat på standarden IEE 802.3. Medan RS-485-gränssnittet kan betraktas som en-till-många-basis, fungerar Ethernet på en många-till-många-basis.

Det finns flera alternativ beroende på bithastigheten och överföringsmediet:

• Ethernet — 10 Mbps

• Fast Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Koaxialkabel, tvinnat par (låg kostnad, hög brusimmunitet) och optisk kabel (skapande av längre linjer och höghastighetskommunikationskanaler) används som överföringsmedia.

Twisted pair (twisted pair) — en typ av kommunikationskabel, är ett eller flera par isolerade ledningar tvinnade tillsammans och täckta med en plastmantel.

Till exempel FTP-kabel (tvinnat par — tvinnat par med en gemensam folieskärm och kopparledare för dränering av inducerade strömmar), 4 par (fast), kategori 5e (Figur 3). Kabeln är avsedd för stationär installation i byggnader, konstruktioner och arbeten i strukturerade kabelsystem. Designad för applikationer som arbetar i frekvensområdet med en övre gräns på 100 MHz.

Figur 3 — tvinnat par: 1 — yttre hölje, 2 — folieskydd, 3 — dräneringstråd, 4 — skyddsfilm, 5 — tvinnat par

På den fysiska nivån implementeras Ethernet-protokollet i form av nätverkskort inbäddade i mikroprocessorsystem och hubbar som kopplar ihop systemen med varandra.

Industriella nätverk (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) är byggda på basis av Ethernet, som framgångsrikt konkurrerar med de tidigare utvecklade nätverken Profibus, DeviceNet, CANopen, etc.