Наличие высокоскоростного последовательного синхронного канала, возможность использования резервного аккумуляторного питания, большее количество линий, отражающих состояние процесса обмена, наличие резервных линий, используемых пользователем по по своему усмотрению. На базе этих линий можно организовать обмен информацией между модулями, минуя магистрали.
МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ.
Особенностью измерительных систем является минимизация погрешностей квантования, дискретизации и датирования (синхронизации). Измерительные системы должны испытывать минимальное влияние со стороны меняющих факторов: температура, влажность, вибрация, влияние помех и т.д.
Измерительная задача, которую надо решать внутри ПК, имеет ограничения, связанные с отсутствием стабильных аналоговых источников питания, повышенным влиянием помех и температуры внутри корпуса, ограниченным количеством слотов, низким коэффициентом готовности, поэтому измерительные интерфейсы, как правило, используются внешними. К их числу относятся: KP-IB (приборный, IEEE-488), VXI, PXI.
Особенностью измерительных систем является их высокая стоимость, относительно долгий срок жизни (10-20 лет), необходимость проведения метрологической аттестации. Наиболее широкое применение получили PXI и VXI. Основная идеология была предложена при разработке VXI – использование в качестве базового интерфейса широко известные зарекомендовавшие себя интерфейсы промышленных систем, стандартизированные с повышенными требованиями к источникам питания, требования к внешним излучениям модуля, использование евромеханики и крейтовой организации, принудительное охлаждение модулей, расширение возможностей базовой магистрали, возможность передачи по шинам аналоговых сигналов, реализация принципов автоконфигурации, горячего подключения, использование идеологии открытых систем. Обобщённая структура VXI и PXI поведена на рисунке 11.
Рисунок 11. – Обобщенная структура VXI и PXI
ОБОБЩЁННАЯ СТРУКТУРА.
Повышение и качество синхронизации обеспечивается повышенной частотой системного генератора и электрической развязки (буфер), индивидуальной для каждого модуля крейта частоты синхронизации в PXI – 10 МГц, в VXI- 10, 100 МГц. Точность синхронизации в PXI - 10 МГц, в VXI- 10, 100 НГц. Точность синхронизации обеспечивается, таким образом, до единиц десятка Нс. Для увеличения пропускной способности интерфейса используют дополнительные шины. В этих интерфейсах используют локальные шины, обеспечивающие связь, минуя магистраль между соседними модулями (см. рис 12).
 |
Рисунок 12
В тех случаях, когда необходимо обеспечить взаимодействие, минуя базовую магистраль, между любыми модулями, используется триггерная шина. Триггерные шины могут использовать в качестве линий последовательного обмена синхронные или асинхронные. Для цели синхронизации организации параллельного обмена синхронным или асинхронным. Разрядность локальных шин для VXI – 36, для PXI – 13. Разрядность триггерных шин для PXI – 8, для VXI – 14.
Для реализации быстрого взаимодействия между модулями используется звездообразная шина, которая представляет собой быстрый коммутатор, обеспечивающий передачу битовой информации. Особенностью локальной триггерной шины является также возможность передачи аналоговых сигналов.
Сравнивая интерфейсы PXI и VXI можно сделать следующий вывод: общим «недостатком» интерфейсов является высокая стоимость модулей.
Модули VXI наиболее прецизионные (точные) и наиболее часто используются в контрольно-проверочной аппаратуре. PXI используются для систем средней сложности. Плотность компоновки компонентов PXI выше, т.к. дополнительно, кроме модулей 34, 64 используются модули VXIbus (Рисунок 13). Номенклатура модуля VXI значительно шире (более 2000), чем PXI (50-100). В этих интерфейсах разработано большое количество мотов для связи с другими интерфейсами, а в частности имеются мосты VXI и PXI.
 |
Рисунок 13. - Модули интерфейса VXIbus
В настоящее время больше развиваются интерфейсы PXI. Возможности PXI существенно расширяются за счёт использования системы Compact RIO (National Instruments).
Интерфейсы Compact RIO представляют собой набор универсальных программируемых модулей ввода/вывода. В отличие от ПЛИС- эти модули содержат репрограммируемый ПЛИС, которым управляет пользователь с помощью драйверов, входящими в состав Lab View.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ.
Недостатки параллельных интерфейсов:
· сложность (большое количество линий);
· магистральный принцип (обмениваться с несколькими источниками и приёмниками одновременно нельзя);
· ограничение по максимальной скорости обмена, связанные с взаимовлиянием линий и принципом обмена (магистрали разделяемые, требующие процедуру арбитража и коммутацию линий при изменении направлений передачи);
· параметры магистрали менее надёжны.
В отличие от параллельных интерфейсов, в последовательных интерфейсах данные передаются побитно, что требует меньше аппаратных затрат. Возможно такое построение интерфейсов, при котором последовательные каналы работают в симплексном режиме, а связь между источниками и приёмниками может быть выполнена на основании, например, полносвязной топологии (или частичной реализации такой связи).
Основные характеристики последовательных интерфейсов:
1. Топология (звезда, шина, кольцо, дерево). Смотри рисунок 14. Выбор топологии производится исходя из требуемой скорости обмена, надёжности и минимальных линий связи.
Рисунок 14. - Топология последовательных интерфейсов
2. Направление передачи информации: симплексное, дуплексное, полудуплексное.
3. Режимы обмена: синхронный и асинхронный.
Особенностью асинхронного обмена является отсутствие линии синхронизации, а скорость передачи определяется на приемном и передающем концах стабильностью генераторов, частота которых превышает максимальную частоту обмена в 16-32 раза. Начало передачи пакета может производиться в произвольный момент времени, не синхронизированный с частотой задающих генераторов.
Синхронный обмен предполагает наличие аппаратной линии синхронизации или формирование частоты синхронизации из информации, пересылаемой в неявном виде:
поле синхронизации, во время которого ведомое устройство измеряет частоту, а потом автоматически подстраивается под эту частоту. Поле синхронизации (например, USB) обычно – это чередование «0» и «1»;
выполнение той же процедуры (CANBUS), т.е. измерения и подстройки в течение фиксированного интервала времени;
аппаратный анализ двух сигналов, на основании которых выделяется частота синхронизации (IEEE 1394 Fire ware).
использование самосинхронизирующихся кодов (самый простой).
Как в синхронном, так и в асинхронном режимах возможно использование передач с квитирования двух типов:
запрос- ответ;
пакет подтверждение.
4. Вид синхронизации. Используется побитовая и покадровая синхронизация.
При асинхронном обмене покадровая синхронизация обеспечивается стартовыми и стоповыми битами, а побитная - стабильностью генераторов на приёмном и передающих концах в промежутке между стартовым и стоповым битами. Значения частот приемного и передающего генераторов должны быть согласованы с точностью (0,1-1)% в зависимости от скорости обмена
Значение бита определяет голосование два из трёх на частоте в 16 раз больше, чем частота обмена.
При синхронном обмене побитовая синхронизация определяется генератором синхроимпульсов, а покадровая - задаётся битами начала и конца обмена- start/stop (I2C, CANbus), либо символом конца и начала обмена- байтом (101111110, 10000001).
Так как в процессе обмена могут появиться данные, которые совпадут со значениями стартового и стопового битов, что вызовет ложное начало или конец кадра, необходимо разработать механизм, предотвращающий это явление. Для этих целей разработана процедура битстаффинга.
Процедура битстаффинга состоит в том, что при передаче через каждые пять повторяющихся бит, вставляется бит с инверсным значением, а на приёмном конце этот бит из сообщения удаляется. Битстаффингом не охвачены байты только начала и конца кадра. Если в сообщении обнаружены шесть бит с одинаковым значением, то это трактуется как ошибка.
Наиболее часто процедура битстаффинга используется в последовательных интерфейсах (USB, IEEE-1394, CANbus и так далее) для улучшения качества синхронизации, повышения достоверности передаваемой информации.
Потеря синхронизации возможна в интерфейсах при передачи длинных последовательностей повторяющихся бит., в которых отсутствует линия синхронизации. Использование битстаффинга позволяет устранить эту погрешность.
5. Методы кодирования последовательных данных.
При передачи информации используется, амплитудная, частотная, фазовая модуляция или их совокупности. Наиболее часто для проводных последовательных интерфейсов используется амплитудная модуляция. Для беспроводных- частотная или фазовая.
В наиболее широко распространённых последовательных интерфейсах используется амплитудное линейное кодирование информации (см. рис. 15).
При выборе способа линейного кодирования сигнала учитываются следующие особенности:
· необходимость обеспечения узкого спектра передаваемого сигнала, в целях уплотнения канала связи;
· отсутствие или минимизация постоянной составляющей, приводящей к нелинейным искажениям сигнала;
· структура сигнала должна обеспечивать возможность выделение тактовой частоты передаваемого сигнала (самосинхронизирующиеся коды);
· устройства должны обладать простой технической реализацией.
Наиболее широкое распространение получили коды: NRZ, NRZI, RZ, Манчестер-2.
Временные диаграммы представлены на рисунке 15. Амплитуда сигналов определяется особенностями тех интерфейсов, в которых данные коды используются.
NRZ передает значения информационных сигналов в виде уровней напряжений, постоянных на интервале каждого передаваемого разряда. К недостаткам этого кода относятся – присутствие постоянной составляющей, которая может вызвать нелинейные искажения сигнала, передача длинной серии нулей и единиц приводит к нарушению синхронизации.
Последний недостаток частично устраняется в коде NRZI- уровень 0 передаётся изменением предыдущего состояния, а 1- сохранением предыдущего состояния. В некоторых интерфейсах изменение состояния может быть при единичном значении.
К числу самосинхронизирующихся кодов относятся коды RZ (с возвратом к 0) и Манчестер- 2. Недостатком кода RZ является: необходимость обеспечения стабильности трёх уровней (уровень 0,1 и поддержание нулевого значения).
Лучшими характеристиками обладает код Манчестер- 2, который передает значение нуля формированием фронта в середине информационного сигнала, а единицы - срезом сигнала.
6. Среда передачи информации и характеристики линии связи.
Среда передачи определяется требуемым быстродействием, длинной линии связи, особенностями размещения и эксплуатации приемопередающего оборудования, допустимой стоимостью.
Максимальное быстродействие при высокой стоимости обеспечивают оптоволоконные линии связи.
При затрудненном доступе к оборудованию, нежелании или невозможности применения проводных линий используют беспроводные каналы, к числу которых относятся инфракрасные (IrDA) и радиоканалы (Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi).
В некоторых случаях использование радиоканала может привести к уменьшению затрат, например, при организации сетей на базе интерфейсов Wi-Fi.
При передаче на небольшие расстояния и низких требованиях по быстродействию возможно использование обычных проводов или экранированных.
В некоторых случаях в качестве среды передачи сигналов используют силовые линии передачи или линии питания, по которым информация передается частотно- или фазомодулированные сигналами.
Наиболее широкое распространение получили линии связи на основе экранированной или неэкранированной витой пары, которая обеспечивает наиболее приемлемое соотношение цены и быстродействия.
Для обеспечения высокоскоростного обмена может использоваться коаксиальный кабель.
Характеристиками линий связи являются:
· волновое сопротивление,
· погонная ёмкость и сопротивление для проводных систем,
· допустимая длина линий связи,
· число источников и передатчиков или число узлов для сетей,
· особенности согласования элементов последовательного интерфейса, возможность использования репитеров.
7. Характеристики электрических сигналов.
Характеристики электрических сигналов определяются используемой линией связи, требуемой скоростью обмена, помехозащищенностью, условиями эксплуатации.
В проводных линиях связи используются электрические сигналы в виде уровней напряжения или тока с различными типами модуляции.
Достоинством токовых сигналов является меньшее влияние параметров линий связи, т.к. источники токов имеют большое выходное сопротивление.
В целом ряде отраслей (химия, нефтяная отрасль и др.) применение источника тока обеспечивает большую взрывобезопасность, т.к. при закорачивании источника напряжения увеличивается значение тока, что может привести к возникновению искры, а при закорачивание источника тока - его значение остается неизменным.
При обмене информации могут использоваться потенциальные и дифференциальные сигналы.
В потенциальных сигналах значение напряжения измеряется относительно уровня «земли», что приводит к повышенному влиянию помех.
Значение дифференциальных сигналов
Преимущество дифференциальных сигналов:
· большая помехозащищённость,
· минимизация излучения при передачи сигналов (из-за применения витой пары),
· большая скорость преобразования.
В дифференциальных сигналах используется свойство дифференциальных усилителей и подавление синфазных сигналов.
Некоторый интерфейсы используют как потенциальные, так и дифференциальные сигналы (например, USB).
8. Средства обеспечения достоверности передаваемой информации.
К числу таких средств относится:
· битстаффинг,
· биты подтверждения приёма информации, формируемые внутри кадра (например, I2C),
· мониторинг линии передачи данных (одновременная передача и приём данных),
· использование timeout или сторожевого таймера,
· использование пакетов подтверждения,
· поле контроля.
Поле контроля присутствует во всех интерфейсах, длина этого поля может изменяться от 1 бита до 32 и выше. Чем больше разрядность поля контроля, тем более достоверной будет информация.
Простейшим способом поля контроля является бит паритета (например, RS-232), в более сложных случаях используется контрольная сумма. Контрольная сумма может формироваться на основании различных операций: арифметическое сложение, сумма по модулю 2, инверсия и т.д.
Недостатком такого способа формирования контрольной суммы является работа с байтами, что не исключает появления чётных ошибок.
Наиболее достоверный контроль передаваемой информации обеспечивает использование циклического избыточного кодирования CRC, в этом случае в формировании контрольной суммы учитывается каждый бит передаваемых данных. Контролируемая байтовая последовательность преобразуется в непрерывный битовый поток, над которым производится операция деления на характеристические полиномы определённого вида. Остаток от деления потока и есть контрольная сумма. Обычно поле CRC- 8, 16, 32.
При передачи последовательной информации используются самокорректирующиеся коды, среди которых самым распространенным является код Хевинга. При использовании его к информационным разрядам добавляется определённое количество битов чётности, которые формируются при передачи информации и контролируются на приёмном конце. Битовая последовательность измеряется, начиная с первого разряда (например, для семибитного кода нумерация будет такая: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11). Номера бит кратные степени 2 являются битами чётности, которые контролируют определённые группы разрядов.
Пример:
Бит1®1, 3, 5, 7, 9, 11.
Бит2®2, 3, 6, 7, 10, 11.
Бит4®4, 5, 6, 7.
Бит1®8, 9, 10, 11.
Поиск неправильного бита заключается в том, что контролируются биты паритета, сумма неправильных битов паритетов определяют разряды, значения которых следует ливертировать.
Например, если неправильный 2 и 4 бит, то следует инвертировать разряд.
Количество обнаруженных ошибок и количество неправильных бит определяется кодовым расстоянием.
Для того, чтобы избыточный код позволял обнаруживать ошибку кратности r, то кодовое расстояние dmin должно быть больше или меньше (r+1). Для исправления r- кратной ошибки dmin ³ 2r+1.
Пример:
Для кода длиной n разрядов в состав которого входит m информационных разрядов составим таблицу 2:
n-m®dmin
| dmin | n | m | обеспечение | исправление |
| £26 £47 £11 |
Таблица 2
9. Способы доступа к ресурсам последовательной магистрали.
В зависимости от допустимого числа ведущих устройств классифицируются методы доступа к ресурсам магистрали:
· если ведущее устройство одно, то используется метод Master-Slave (ресурсами магистрали управляет одно ведущее устройство);
Пример: USB, ModBus и т.д.
· при наличии нескольких ведущих устройств могут использоваться централизованный или децентрализованный арбитраж.
Примером централизованного арбитража может служить интерфейс SPI. Схема арбитража используется такая же, как и в параллельных интерфейсах.
Наибольшее распространение получил децентрализованный арбитраж, т.к. он обладает большей надёжностью и требует меньше аппаратных средств.
Случайные методы доступа с обнаружением несущей обозначаются CSMD/SD.
Используются в Ethernet и других интерфейсах. Все устройства подключенные к магистрали прослушивают шину, и если она свободна, то пытаются её занять. Если одновременно обратилось несколько устройств, они отключаются от шины, и включается генератор случайных чисел, после чего процедура арбитража повторяется до тех пор, пока не останется одно устройство. При большом числе ведущих устройств такой алгоритм может вызвать «зависание» последовательного интерфейса.
К недостаткам этого метода относится также разделение процедуры арбитража и адресации ведомого устройства.
Лучшими характеристиками обладает метод CSMD/CA, в котором процедура арбитража и адресации происходят одновременно.
Примером такого арбитража могут быть интерфейсы I2C, CanBus и т.д.
В этих интерфейсах могут использоваться линии с открытым коллектором (стоком).
Активным является уровень «0». В процессе арбитража, если шина свободна, ведущее устройство побитно выставляет на линию данных свой идентификационный номер, контролируя при этом значение передаваемого бита и значение линии данных. Арбитраж выигрывает тот модуль, идентификатор которого меньше по значению. Код все «0», как правило, используется для сброса или микровещательной передачи. При таком арбитраже «зависание» линии исключено, т.к. по завершению контроля после идентификатора в арбитраже участвует остальные поля кадра или фрейма. По завершению цикла арбитража (и адресации) начинается процесс обмена информацией.
Маркерный способ. Этот способ используется в тех случаях, когда необходимо равномерное детерминированное распределение ресурсов интерфейсов (см. рис. 16).
В маркерном методе управление шиной передаётся либо равномерно по очереди, либо с приоритетом какого-либо модуля.
10. Сервисные функции:
· автоконфигурации;
· горячее подключение;
· возможность отключения неработающего устройства и т.д.
 |
Рисунок 16 – Маркерный метод арбитража.
11. Пропускная способность.
Необходимо различать пиковую пропускную способность, которая присутствует во всех интерфейсах и эффективную.
Эффективная скорость оценивается соотношением между длиной полем данных и общей длиной кадра. В некоторых интерфейсах используются кадры длина которых проблемно ориентирована (асинхронные обмены, синхронные).
Наиболее эффективной характеристикой интерфейсов является цена пропускной способности.
ИНТЕРФЕЙСЫRS 232.
Топология «точка-точка».
Режим передачи симплексный дуплексный.
Режим обмена асинхронный и синхронный (в РЭВМ отсутствует).
Синхронизация покадровая. Обеспечивается стартовым и стоповым битами, побитовая синхронизация обеспечивается стабильностью частоты генераторов на приёмных и передающих концах.
Метод кодирования – NRZ. Уровень «0» - (3-12) вольт. Уровень «1» - (3-12) вольт. В общем случае максимальный уровень меньше или равен 25 вольтам.
Формат кадра: стартовый бит – (5-8) бит символ, не обязателен бит паритета, 1, 1.5 или 2 стоповых бита.
Скорость передачи 15 метров - 20кб/с, 1,5 км – 110 б/с.
Разъёмы двадцатипятиконтактные, девятиконтактные, в некоторых разработках используются разъёмы MiniDIW, через которые передаются дифференциальные сигналы.
В ПЭВМ используются 9 линий. Особенностью линий интерфейса является отсутствие линий питания – этот недостаток может быть устранён, использованием свободных выходных линий, ток короткого замыкания которых составляет величину порядка 20-30 млА.
При проектировании нестандартных устройств следует помнить, что линии интерфейса можно использовать не по прямому назначению, реализую на их основе эмуляторы. Например, I2C, SPI.
При работе с RS-232 могут использоваться программный или аппаратный протокол обмена. Аппаратный протокол обмена использует свойство входного сигнала 
, устанавливает линию TxD в высокоуровневое состояние. Работу протокола иллюстрирует рисунок 17.
Рисунок 17. - Аппаратное управление потоком
- это единственная линия, управление которой выполняется аппаратно. Остальные линии устанавливаются и анализируются программно. В аппаратном управлении обмена приёмное устройство может управлять скоростью передачи, устанавливая на входе CTS соответствующие уровни.
В задачах автоматизации, главным образом, используется нуль - модульный режим, при котором устройство участвующее в обмене устанавливает связь без использования модема.
При программном обмене взаимодействие между приёмником и передатчиком осуществляется с использованием входов:
x OFF (13h)
x ON (11h).
При программном обмене, если приёмник не успевает обрабатывать входные данные, то по передатчику передаётся код 13h. При возобновлении обмена передатчик получает код 11h. Используемый метод применяется для передачи ISCII кода. В целях упрощения протокола обмена и повышения скорости обмена, при передачи двоично-десятичных данных в упакованном виде, в качестве начала и конца обмена можно использовать символ от А до Д. При организации обмена в двоичном коде очевидно можно использовать битстаффинг и символ 01111110.
Структура устройства сопряжения RS-232 с периферийными устройствами приведена на рисунке 18.
В зависимости от особенности интерфейса необходимо обратить внимание на уровни сигнала и форматы кадра. Большинство поддерживают структуру кадра RS-232, и поэтому согласование устройств заключается только в согласовании уровня, особенно это касается промышленных интерфейсов (Feelbus). Для согласования разработан целый комплекс схем, обеспечивающих преобразование уровней RS-232 в ТТЛ или в другие уровни.
Рисунок 18. - Принцип организации взаимодействия с RS-232
К числу наиболее распространённых относятся преобразователи формы max 232, Max 3232, ADM, ADM 3202 и т. д. При выборе этих схем предпочтение следует отдавать схемам с питанием (3,3 - 5)В.
При работе на длинной линии широко используется оптоволоконная изоляция, с целью исключения влияния «земляного» провода.
Оптоэлектронная развязка имеет вид, представленный на рисунке 19.
 |
Рисунок 19 – Оптоэлектронная развязка.
Аптронные пары представляют собой излучающий диод или транзистор, в качестве приёмника могут использовать разнообразные элементы: транзисторы, диоды, триггеры, логические схемы.
Характеристики аптронных пар:
§ количество пар в одном корпусе;
§ напряжение изоляции (киловольт);
§ входной ток, который следует ограничивать резистором R;
§ тип выхода (открытый коллектор и т.д.);
§ время реакции на скачок напряжения или максимальная скорость передачи информации;
Основной недостаток RS-232 – соединение «точка-точка», относительная низкая скорость и отсутствие линии питания в интерфейсе, потенциальные уровни напряжения.
Одним из способов увеличения количества присоединенных источников к RS-232 является присоединение «токовой петли» - рисунок 20.
Использование «токовой петли» при прочих равных условиях увеличивает длину линии связи, и позволяет последовательно включать несколько приёмников информации.
Наиболее кардинальным решением является использование преобразователя RS-232 и RS-485.
RS – 485.
Является наиболее широко используемым интерфейсом физического уровня, топологи, в основном, шина.
Направление обмена полудуплексное.
Возможна организация дуплексного обмена с использованием двух магистралей RS-485.
Метод кодирования, в основном, NRZ.
Вид сигнала- дифференциальный – уровень (±100-200) мВ.
Количество источников приёмников 32/32, в некоторых применениях число ведомых устройств может быть до 255 – это обусловлено максимальной мощностью ведущего устройства и входными токами ведомых устройств.
На базе RS-485 может быть построена многопроцессорная система, например, с использованием маркерного доступа, как это делается в интерфейсе Profibus.
Используемые линии связи – витая пара или экранированная витая пара.
Скорость – 10 Мбит/с на 12 метров; 100 Мбит/с на 1200 метров. Т.к. протоколы интерфейсов не оговариваются, то их применение определяется особенностями того интерфейса, в которых RS-485 используется.
Наиболее часто используется передача в виде АSCII кодов. Недостатком АSCII символов является: относительно низкая скорость передачи сообщения и необходимость преобразования ISCII символов в двоичные и наоборот.
В тех случаях, когда используются более высокие скорости, то применяются двоичные форматы обмена с одиннадцатибитовым кадром. Одиннадцатый бит указывает на тип передаваемой информации – команда или данные.
При работе с длинными линиями RS-485 необходимо использовать терминаторы на конце линии (сопротивление- величина которого равна волновому сопротивлению линии), защитные сопротивления, дренажный провод.
Электронная промышленность выпускает большую номенклатуру преобразователей RS-485 и другие интерфейсы- I2C? SFI? USB? RS-232 и т.д.
В настоящее время наблюдается тенденция на переход к беспроводным интерфейсам. К ним относятся:
§ радиоинтерфейсы;
§ инфракрасные порты или интерфейсы.
Первыми беспроводными интерфейсами были инфракрасные (IrDA). К недостаткам этого интерфейса относят:
§ соединение «точка-точка» - невозможность построение сетей;
§ ограниченный конус действия излучения;
§ устройства должны находиться в зоне прямой видимости;
§ относительные низкие скорости (влияние внешних источников светового излучения).
Лучшими характеристиками обладают радиоинтерфейсы, особенностью которых является работа с источниками за пределами прямой видимости, большой радиус действия (от 10 до 300 и более метров), более высокая скорость обмена, возможность построения сетевых структур.
К недостаткам следует отнести электромагнитное излучение и возможность декодирования информации, передаваемой по сети.
Радиоинтерфейсы можно разделить на две группы:
I. относительно маломощные интерфейсы с огромным радиусом действия и пониженными скоростями обмена (Bluetooth, Wireless, USB).
Программное обеспечение этих интерфейсов доступно и позволяет работать с этими интерфейсами, как с виртуальным компортом. Выпускаются также ОМК с встроенными портами этих интерфейсов.
II. Wi-Fi, AirPort (скорости до 320 Мбит/с и выше), которые служат элементной базой замены сетевых интерфейсов типа Ethearnet.
Под понятием Wi-Fi подразумевается группы интерфейсов, отличающиеся протоколом IEEE 802.xx.
Все радиоинтерфейсы работают на частоте примерно 2,4 ГГц, частота которых не требует лицензирования.
USB
Появление USB было связано с отсутствием внешних интерфейсов, обеспечивающих большое число подсоединяемых устройств (COM, LPT), ограничение количество слотов внутренних интерфейсов ISA и PCI и сложность их реконфигурации, устранение большой номенклатуры внешних интерфейсов.
К достоинствам USB относят:
§ лёгкая реконфигурация/внешний интерфейс (реализация принципа автоконфигурации и горячего подключения);
§ наличие линии питания;
§ обеспечение высокоскоростных протоколов обмена;
§ большое количество подключаемых устройств (до 127);
§ большая достоверность предаваемой информации (CRC, битстаффинг, код Хемминга).
Интерфейс работает на трёх скоростях:
1. LS – 1,5 Мбит/с;
2. FS – 12 Мбит/с;
3. HS – 480 Мбит/с.
Топология – многоярусная звезда или дерево до пяти уровней.
Допустимая длина до 25 метров (пять метров на один сегмент).
Состав линии:
§ дифференциальные линии данных;
§ линия питания (5В до 500 мА);
§ земля.
Направление передачи –полудуплексное. Среда передачи – витая пара или экранированная витая пара. Электрические сигналы смешанного типа. Данные передаются с помощью дифференциального сигнала ±200 мВ.
Пассивное состояние линии от (1,3 - 2) В.
Сигналы управления и состояния передаются с помощью потенциальных (линейных) сигналов: низкоскоростное, высокоскоростное устройство, формирование начала и конца пакета и т.д.
Интерфейс синхронный, начало и конец пакета формируется аппаратно (SOP, ЕОP), а частота определяется полем синхронизации, которая передается в начале кадра (последовательность из «0» и «1»).
Используется метод кодирования NRZI.
Метод доступа – централизованный программный.
Единственное устройство, которое контролирует процесс обмена по магистрали – host контроллер, который находится на магистрали PCI или в чипсете, и посылает определённой временной диаграммой соответствующие команды и проводит анализ соответствующих HSB устройств.
USB устройства только отвечают на команды и не могут передавать информацию друг друга, миную host контроль.
Дополнения к стандарту USB 2.0 в некоторой степени устраняют этот недостаток, позволяют соединять USB сканер с USB понтером, минуя компьютер.
Устройства подключаемые к USB разделяются на три типа:
Ø hosthub – центральный контроллер, который может быть интегрирован в чипсет или установлен в PCI. Для организации взаимодействия с процессором ему выделяется вектор прерываний – IRQ10. Он выполняет все основные функции по передачи содержимого и управление информацией:
a) обнаружение подключение и удаление устройств;
b) управление потоками данных и управление информацией;
c) конфигурирование, включая и изменение адресов;
d) сбор статистики о состоянии и активности устройств;
e) обеспечение питанием ограниченной мощности устройств.
Ø hub (концентратор) – устройство расширение USB, имеющее один восходящий порт и до 3 нисходящих. Hub’ы обычно выполняются на базе ОМК. Например, Intel8x930Hx, состоящий из MCS-25 с резидентной памятью до 16КБ, внешнее адресное пространство до 256КБ. Контроллер реализует следующие функции:
a) генерирование и декодирование пакетов;
b) вычисление и проверка контроллера CRC;
c) приём/передача последовательных данных с использованием четырёх очередей FIFO, настраиваемых на приём, и столько же на передачу. Три очереди 16-байтные, одна – настраиваемая (до 1024 байт).
d) Управление соединением;
e) Управление питанием с установкой ограничения на ток для нисходящего порта;
f) Обнаружение и восстановление сбоев шины;
g) Поддержка принципа p&p и «горячего» подключения.
Реализация функций обеспечивается архитектурой контроллера, в состав которого входит три 16-разрядных счётчика/таймера, сторожевой таймер, 5 модулей захвата/хранения, 1КБ оперативной памяти, регистровый файл (40 байт), до 16КБ резидентного ПЗУ, внешнее адресное пространство до 256 КБ.
Ø функция (функциональное устройство, функциональный блок) – устройство, способное передавать или принимать управляющую информацию и данные. Функция обычно выполняется как отдельное ПУ с кабелем, который подключается к порту концентратора. Каждая функция содержит информацию о конфигурации, которая описывает её параметры и требования к ресурсам. Прежде чем воспользоваться устройством функцией, его необходимо сконфигурировать.
Возможно сочетание функций и hub’а.
Всем устройствам USB присвоен уникальный адрес и адрес конечных точек. Каждое устройство USB может имееть до 16 конечных точек. Конечная точка – это виртуальный порт для управления функцией. Связь с устройством USB возможна только через одну или несколько конечных точек. Каждая конечная точка создаётся во время разработки и имеет свой уникальный номер. Все устройства должны поддерживать конечную точку ноль, через которую производится управление и конфигурирование USB- устройств. Нулевая конечная точка всегда конфигурируется автоматически при подключении устройства к USB. Остальные конечные точки находятся до конфигурирования в неопределённом состоянии. Для обращения к конкретной точке необходимо указать адрес устройства и адрес конечной точки. Каждая конечная точка характеризуется: своим номером, требованиями к частоте доступа, времени отклика USB, пропускной способности, особенности реакции при обнаружении ошибок, типом передачи, максимальным размером пакета, направлением передачи (для блочных и изохронных передач).
Протоколы передачи:
· Изохронные передачи: реальный масштаб времени, фиксированное количество данных передаётся за равный интервалы времени с фиксированной скоростью. Достоверность данных не гарантируется, т.к. нет времени для повторной передачи. Изохронные передачи занимают выделенную часть пропускной способности шины. Размер поля данных (1-1023) байта (длина поля данных кратна степени двойки). Минимальная пропускная способность – 150 Кб/с, максимальная – 1Мб/с. Работает только на 12Мб/с.
· Сплошные передачи. Для обмена большими массивами, которые могут использовать любую доступную пропускную способность и могут быть задержаны. Надёжный обмен данными обеспечивается на аппаратном уровне с использованием обнаружения ошибок и автоматичес