Лекция 4 Типы интерфейсов данных

Лекция 4

Тема: Типы интерфейсов данных

Данные в сетях передаются в виде пакетов или ячеек. Сначала использовалась передача пакетов, которая до сих пор остается наиболее распространенным методом передачи данных в локальных сетях. Передача ячеек (пакетов фиксированной длины) позволяет строить высокоскоростные каналы между локальными и глобальными сетями. Для каждого метода передачи необходимы специальные интерфейсы, управляющие сетевыми коммуникациями на физическом уровне. В следующих разделах описываются и сравниваются используемые в сетях пакеты и ячейки, а также предназначение для них интерфейсы.

Передача пакетов

Данные передаются от узла к узлу в виде больших фрагментов, называемых пакетами или фреймами. Коммуникационное программное обеспечение каждого узла разбивает данные на такие фрагменты. В зависимости от передающей среды, фрагмент данных преобразуется в электрический, радио- или световой сигнал, который и может быть передан между узлами. Требуется много пакетов данных, чтобы передать страницу текста или файл.

Формат пакетов определяется используемым в сети протоколом. Например, протокол определяет способ указания адреса узла, посылающего пакет, адреса принимающего узла, типа передаваемых данных, размера пакета, объёма передаваемых данных и метода обнаружения поврежденных пакетов или коммуникационных ошибок. Другой важной частью пакета является синхронизирующая информация для передачи множества пакетов, позволяющая отсылать пакеты через заданные интервалы времени. На рис.1 показан общий формат пакета.

Для физической передачи пакетов в сеть служит карта сетевого интерфейса, или сетевой адаптер (networkinterface card, NIC). Сетевой адаптер позволяет подключить рабочую станцию, файл-сервер, принтер или другое устройство к сетевой передающей среде, например, к коаксиальному кабелю или витой паре. На одном конце адаптера располагается разъем (или коннектор), соответствующий типу сетевой среды.

Сетевой адаптер является приемопередатчиком, обеспечивающим канал передачи данных в сетевой среде. Его встроенные средства упаковывают во фрейм заголовок, исходный и целевой адреса, данные и хвостовик, а фрейм в виде законченного пакета передается в коммуникационную среду. Сетевой адаптер имеет алгоритмы для приема, распаковки, передачи и синхронизации данных, а также для управления конфликтами и ошибками. Программные алгоритмы, реализующие эти функции, хранятся в исполняемых и служебных файлах, называемых сетевыми драйверами. Для каждого сетевого адаптера необходимы определенные сетевые драйверы, соответствующие методу доступа к сети, формату инкапсуляции данных, типу кабельной системы и физической (MAC) адресации. В программных драйверах реализуются стандарты многоуровневых сетевых коммуникаций, заданные эталонной моделью OSI. Драйверы позволяют сетевому адаптеру выполнять передачу данных на Физическом (Уровень 1) и Канальном (Уровень 2) уровнях.

Передача ячеек

Обычно ячейка (cell) содержит фрагмент данных фиксированной длины в формате, пригодном для передачи с большими скоростями - от 155 Мбит/с до 1 Гбит/с и выше. Как показано на рис. 2 ячейка имеет заголовок(header), в котором содержится следующая информация:

Данные для управления потоком, координирующие передачу информации между исходным и целевым узлами;

Информация о маршруте и канале, позволяющая передавать данные по кратчайшему маршруту;

Признак, указывающий на то, содержит ли ячейка реальные данные или управляющую информацию для осуществления высокоскоростного соединения;

Сведения об ошибках.

Имеющая фиксированную длину полезная нагрузка ячейки отличается реальных данных, содержащихся в пакете. В зависимости от протокола, Л кеты содержат данные переменной длины, которая кратна байту (8 битам) Например, данные в пакете распространенного стандарта Ethernet может иметь длину от нескольких сот до нескольких тысяч бит.

При асинхронном режиме передачи (asynchronous transfer mode, ATM) данные в ячейке всегда имеют длину 384 бита. Технология ATM (подробно описываемая в главе 8) представляет собой метод передачи данных, в котором ячейки и множество каналов используются для пересылки речевых сигналов, видео и данных в локальных и глобальных сетях. Фиксированная длина позволяет более точно синхронизировать передачу данных и обеспечить высокие скорости коммуникаций и качество обслуживания (Quality of Serve QoS). Качество обслуживания количественно описывает качество передачи данных, пропускную способность и надежность сетевой системы. Некоторые производители и телекоммуникационные компании предлагают для своих систем или оборудования гарантированное качество обслуживания.

В первую очередь ячейки используются в сетях ATM, поэтому интерфейсы данных состоят из коммутаторовATM, интерфейсов подключаемых устройств (AUI) и оптоволоконного кабеля. В составAUI-интерфейса входят приемопередатчик и сетевые драйверы, построенные по тем же принципам, что и драйверы для сетевых адаптеров, однако ориентированные на соединения по коаксиальному кабелю, витой паре или оптоволокну.

Согласно спецификациям ATM Forum и TIA Fiber Division, LAN Section, для передачи ячеек в магистралях локальных сетей, работающих на скорости 622 Мбит/с и на расстояниях до 500 м, требуется одномодовый оптоволоконный кабель. Многомодовый кабель с полосой пропускания 500 МГц на 1 км является наиболее выгодным решением для резервных магистралей, обеспечивающих скорость до 100 Мбит/с на расстоянии до2000 м. Следовательно, наилучшая конструкция кабельной системы, удовлетворяющаяся современным и будущим требованиям к резервным магистралям, представляет собой комбинацию многомодовых (62,5/125FDDI Grade) и одномодомовых оптических кабелей. Такие решения можно рассматривать как пример комбинированной кабельной системы.

Обычно кабельная магистраль содержит от 18 до 48 многомодовых оптических кабелей. При добавлении от 6 до 12 одномодовых кабелей (имеющих чрезвычайно высокие показатели полосы пропускания) можно обеспечить совместимость с будущими высокоскоростными приложениями. Свободные (или темные) оптические кабели можно оставить не разведенными до тех пор, пока в них не появится необходимость. В большинстве проектов затраты на установку избыточных кабелей невелики по сравннию с общими расходами на монтаж и намного меньше, чем затраты на установку дополнительных кабелей в будущем.

Интерфейсы передачи данных развиваются так быстро, что производителям систем хранения данных сложно за ними успевать. Каждый год появляются интерфейсы, позволяющие достичь скорости передачи данных во много раз большей, чем уже существующие устройства. Коммутаторы и сетевые адаптеры начинают поддерживать новейшие скоростные интерфейсы задолго до того, как они становятся доступными в системах хранения данных.

В таблице ниже показано развитие пропускных способностей интерфейсов подключения СХД на временной шкале.

Тенденции развития интерфейсов

Ниже описаны предполагаемые годы появления новых скоростей передачи данных для различных интерфейсов, основанные на исследованиях отрасли. История показывает, что для многих интерфейсов цикл разработки новых стандартов составляет 3-4 года.

Стоит отметить, что с момента утверждении спецификации нового интерфейса и до появления на рынке поддерживающих его продуктов проходит обычно несколько месяцев. Широкое распространение нового стандарта может затянуться на несколько лет.

Также сейчас ведется работа по разработке версий уже существующих интерфейсов с пониженным энергопотреблением.

Fibre Channel

32Gbps FC (32GFC)

Работа над стандартом 32GFC, FC-PI-6, началась в начале 2010 года. В декабре 2013 ассоциация Fibre Channel Industry Association (FCIA) сообщила о завершении работы над спецификацией. Ожидается, что продукты, поддерживающие этот интерфейс, появятся на рынке в 2015 или 2016 годах. 32GFC будет использовать 25/28G SFP+ коннектор.

Мультиканальный интерфейс FC 128Gb, известный как 128FCp (параллельный четырехканальный), основывается на технологии FC 32Gb и добавлен в официальный план развития стандарта FC. Комитет T11 присвоил проекту название FC-PI-6P. Завершение спецификации планируется на конец 2014 - начало 2015 года, продукты станут доступны в 2015 или 2016 году. 128GFCp, вероятно, будет использовать коннекторы QSFP+, возможна также поддержка CFP2 или CFP4 коннекторов.

Некоторые производители представляют 32GFC и 128GFC как «Gen 6» Fibre Channel, так как эта версия поддерживает 2 различные скорости передачи данных в двух различных конфигурациях (последовательной и параллельной).

64Gbps FC (64GFC), 256Gbps FC (256GFC)

Разработка стандартов 64GFC и 256GFC началась в проекте FC-PI-7. Техническая стабильность ожидается в 2017 году. Каждая ревизия FC обратно совместима как минимум с двумя предыдущими поколениями.

FC как интерфейс SAN

По-видимому, Fibre Channel в обозримом будущем будет оставаться основной технологией для построения сетей SAN. За прошедшие годы в инфраструктуру FC были инвестированы значительные средства (миллиарды долларов США), в основном, в центры обработки данных, которые будут функционировать в течение еще многих лет.

FC как дисковый интерфейс

Fibre Channel как интерфейс для подключения дисков уходит в прошлое, так как производители дисков корпоративного класса переходят на 6Gbps SAS и 12Gbps SAS. Из-за довольно большого объема выпущенных 3.5-дюймовых дисков с интерфейсом FC, использующихся в корпоративных дисковых подсистемах, ожидается, что FC будет использоваться еще некоторое время для их поддержки. Среди 2.5-дюймовых дисков интерфейс Fibre Channel, скорее всего, будет доступен на очень небольшом числе устройств.

Fibre Channel over Ethernet

FCoE (FC-BB-6)

Работа над стандартом FC-BB-6 была завершена комитетом T11 в августе 2014 года. FC-BB-6 стандартизирует архитектуру VN2VB и улучшает масштабируемость Domain_ID.

VN2VN — это способ соединить напрямую конечные узлы FCoE (Virtual N_Ports) без необходимости в FC или FCoE коммутаторах (FC Forwarders), что позволяет упростить конфигурацию в небольших размещениях. Эту идею иногда называют «Ethernet Only» FCoE. В таких сетях не требуется зонирование, что дает меньшую сложность и уменьшает расходы.

Масштабируемость Domain_ID (Domain_ID Scalability) позволяет FCoE фабрикам масштабироваться до более крупных SAN.

40Gbps и 100Gbps

До появления 40Gbps FCoE остался год или два. Возможно, интерфейс появится одновременно с 32Gb FC. Стандарты IEEE 802.3ba 40Gbps и 100Gbps Ethernet были ратифицированы в июне 2010. Новые продукты должны появиться через некоторое время.

Скорее всего, 40Gbps и 100Gbps FCoE, основанные на стандартах Ethernet 2010 года, будут использоваться первоначально для ISL-ядер, тем самым оставляя 10Gb FCoE в основном для конечных соединений. Ожидается, что будущие версии 100GFCoE кабелей и коннекторов будут доступны в конфигурациях 10х10 и затем 4х25.

InfiniBand

В настоящее время продукты, использующие 100Gbps Infiniband EDR (Enchanced Data Rate) уже доступны в продаже. EDR использует коннекторы 25/28G SFP+, так же как интерфейсы Ethernet и Fibre Channel.

InfiniBand High Data Rate (HDR), поддерживающий скорость в 2 раза больше, чем EDR, ожидается в 2017 или 2018 году. Хост-адаптеры HDR, возможно, будут требовать наличие PCIe 4.0 слотов.

Ethernet

В июле 2014 года 2 различные отраслевые группы — 20G/50G Ethernet Consortium и IEEE 802.3 25Gb/s Ethernet Study Group — объявили о начале новой работы над спецификацией Ethernet для использования преимуществ 25Gb PHY в однополосной конфигурации. В результате была получена спецификация однополосного соединения, похожего на существующую 10GbE технологию, но в 2.5 раза быстрее. Продукты, использующие эти технологии уже доступны. Также планируется разработка стандарта 50GbE, использующего 2 полосы 25GbE. Окончание спецификации планируется в 2018-2020 году.

В разработке находятся стандарты 2.5GbE и 5GbE, которые позволяют увеличивать пропускную способность сети без дополнительных затрат благодаря использованию кабелей категории 5e. Организация NBASE-T Alliance выпустила версию 1.1 спецификацию NBASE-T, которая описывает реализацию на физическом уровне. Technical Working Group работает над спецификацией для системного интерфейса PHY-MAC, магнитными и канальными характеристиками. Кроме того, работники 25 компаний участвуют в разработке стандартов IEEE 802.3bz 2.5/5GBASE-T. Продукты, поддерживающие 2.5GbE и 5GbE уже появляются на рынке.

SAS

12Gbps SAS

Спецификация SAS 3, включающая в себя 12Gbps SAS, была отправлена в INCITS в 4 квартале 2013 года. Продукты на 12Gbps SAS для конечных пользователей начали появляться во второй половине 2013, включая SSD, сетевые адаптеры (SAS HBA) и RAID-контроллеры. 12Gbps SAS позволяет использовать все преимущества шины PCIe 3.0.

24Gbps SAS

Спецификация интерфейса 24Gbps SAS сейчас в разработке. По прогнозам, первые компоненты, использующие 24Gbps SAS могут появиться в 2016 или 2017 году, первые продукты для пользователей будут доступны в 2018. 24Gbps SAS разрабатывается из расчета полной совместимости с 12Gbps и 6Gbps SAS. Возможно, будет использована другая схема кодирования.

Прототипы интерфейса 24Gbps SAS будут использовать технологию PCIe 3.x, однако, вероятно, что финальные продукты будут задействовать технологию PCIe 4.x.

SCSI Express

SCSI Express реализует хорошо известный протокол SCSI через интерфейс PCI Express, уменьшая задержку за счет использования PCIe. Он разрабатывается для соответствия улучшенной скорости SSD дисков. SCSI Express использует протоколы SCSI over PCIe (SOP) и PCIe Queueing Interface (PQI), создавая SOP-PQI протокол. Контроллеры соединяются с устройствами с помощью коннектора SFF-8639, который поддерживает множество протоколов и интерфейсов, таких как PCIe, SAS и SATA. SCSI Express поддерживает PCIe устройства, использующие до 4х полос.

SCSI Express впервые был предложен в 2011 году и принят в работу в качестве формального проекта в 2012, но не развивался до 2015 года. Пока не известно, когда первые продукты SCSI Express будут выпущены на рынок.

Возможности подключения SAS

Новые возможности подключения SAS позволяют передавать данные на большие расстояния, благодаря использованию активных медных патч-кордов и оптоволоконных кабелей. Коннектор Mini SAS HD (SFF-8644) может быть использован для 6Gbps SAS и 12Gbps SAS.

В будущем ожидаются такие возможности, как поддержка набора команд Zoned Block Commands (ZBC) и технологии записи для дисков увеличенного объема Shingled Magnetic Recording (SMR).

SATA Express

Спецификация SATA Express включается в SATA версии 3.2. SATA Express позволяет сосуществовать клиентским SATA и PCIe решениям. SATA Express позволяет увеличить скорость передачи до 2 полос PCIe (2GBps для PCIe 3.0 и 1GBps для PCIe 2.0) по сравнению с текущей технологией SATA (0.6GBps). Такая скорость подходит для SSD и SSHD, в то время как обыкновенные HDD-диски могут продолжать использовать существующий SATA интерфейс. Каждое устройство может использовать PCIe или SATA коннектор, но не оба одновременно. Отдельный сигнал, порождаемый устройством, говорит хосту, является устройство SATA или PCI Express. На середину 2015 года SATA Express поддерживается очень небольшим количеством материнских карт. Пока не понятно, будет ли SATA Express принят рынком, в ближайшее время не стоит ожидать появления большого числа продуктов.

Новые возможности SATA

Среди новых возможностей, которые запланированы на будущее, можно отметить такие опции корпоративного уровня, как удаленное отключение питания, улучшенное восстановление массива и оптимизации для устройств, работающих на NAND флеш-памяти. Также планируется поддержка технологии SMR (Shingled Magnetic Recording).

Thunderbolt

Thunderbolt 2 был представлен в конце 2013 года, сейчас выпускается множество устройств, использующих данный интерфейс. Скорость передачи данных Thunderbolt 2 составляет 20 Gbps.

Thunderbolt 3 (40 Gbps) был анонсирован в июне 2015 года. Используется кабель USB type-C, который поддерживает USB 3.1 (10 Gbps), Display Port (двойные 4k дисплеи), 4 полосы PCI Express 3.0 и предыдущие версии Thunderbolt. В дополнение, предоставляется 15 ватт для питания подключенных устройств и поддерживается питание USB для зарядки портативных компьютеров до 100 ватт. Активные медные и оптоволоконные кабели поддерживают скорость передачи данных до 40 Gbps. Менее дорогие пассивные медные кабели поддерживают скорость до 20 Gbps. Ожидается появление первых продуктов, использующих Thunderbolt 3, в конце 2015 года. Намного больше устройств станут доступны в 2016 году.

USB

USB 3.1

В июле 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о создании спецификации USB 3.1. Новый интерфейс позволяет работать со скоростью 10 Gbps и полностью совместим с предыдущими версиями USB. USB 3.1 использует схему кодирования 128b/132b, в которой 4 бита используются для управления протоколом и передачи информации о кабеле. Устройства, использующие USB 3.1 с новым кабелем Type-C уже появились на рынке.

Питание USB

USB является интерфейсом с возможностью питания подключенных устройств и появляется все больше устройств, заряжающихся или работающих от USB. Спецификация USB Power Delivery (PD) версии 1.0 появилась в июле 2012 года. В ней было предложено увеличить мощность питания с 7.5 ватт до 100 ватт в зависимости от типа кабеля и коннектора. Устройства должны договариваться друг с другом для определения напряжения и силы тока для передачи электроэнергии, причем возможно передавать энергию в любом направлении. Устройства могут корректировать мощность питания во время передачи информации. Прототипы устройств с USB PD начали появляться в конце 2013 года. Спецификация USB PD включена в спецификацию USB 3.1.

Кабель USB Type-C

Спецификация нового кабеля и коннектора была завершена в августе 2014 года. Этот кабель имеет существенно отличающийся дизайн с уменьшенным размером коннектора, который легко может применяться в различных устройствах. В соответствии с новой спецификацией кабель и коннектор могут быть использованы в любом положении, независимо от ориентации коннектора и направления кабеля. Кабель имеет один и тот же тип коннектора с обеих сторон. Первые Type-C USB кабели представляют собой пассивные медные кабели длиной до 1 м, скоро ожидается появление активных медных и оптоволоконных кабелей.

Современная техника имеет огромное количество всевозможных входов и выходов для обмена данными с другими устройствами. В характеристиках к этой техники указываются названия всех поддерживаемых ею интерфейсов. Некоторые пользователи очень плохо разбираются во всех этих названиях и аббревиатурах, что не позволяет им грамотно оценить возможности того или иного устройства. Существуют как проводные, так и беспроводные интерфейсы, наиболее распространённые из них мы рассмотрим далее в этой статье.

Начнём с проводных интерфейсов, преимуществами которых являются надёжность и защищённость соединения, а также возможность передачи информации на высокой скорости. Одним из очень распространённых проводных интерфейсов является универсальная последовательная шина, или USB. Практически не одно современное устройство, работающее с информацией, не обходится без него. USB-порты есть во всех ноутбуках и системных блоках. В устройствах небольшого размера, таких как видеокамера или мобильный телефон могут использоваться уменьшенные версии этого стандарта. Стандарт USB появился в 1994 году. Первой была версия USB 0.7. Последней, самой современной версией является USB 3.0, скорость которой доходит до 4,8 Гбит/с.

Для мультимедийных данных используется формат HDMI. Его название переводится как мультимедийный интерфейс высокой чёткости. HDMI используется для передачи аудио и видео сигналов высокого качества со скоростью, достигающей 10,2 Гбит/с и защитой HDCP. Этот интерфейс используется в телевизорах, видеокартах и DVD плеерах. Обычно для него используется кабель длиною около 5-и метров, а при использовании усилителей длина может дойти до 35-и метров.

Ещё один высокоскоростной интерфейс - это FireWire. Его реальное название - IEEE 1394, а в устройствах производства фирмы Sony он называется i.LINK. Встречается практически на всех материнских платах. Скорость этого интерфейса 100-3200 Мбит/с.

Для компьютерных сетей используется стандарт Ethernet. В основном данный интерфейс применяется в локальных сетях. Его скорость зависит от используемого кабеля. Если в Ethernet используется коаксиальный кабель, то скорость составляет 10 Мбит/с. Передача данных, с использованием витой пары осуществляется со скоростью 100-1000 Мбит/с. А вот скорость с использованием оптоволокна может превышать 1000 Мбит/с. Существует два стандарта Ethernet: FastEthernet, скорость которого составляет 100 Мбит/с и более быстрый GigabitEthernet, который разгоняется до 1000 Мбит/с. Данный интерфейс присутствует практически на всех материнских платах, а также встречается на некоторых гаджетах и игровых консолях.

Теперь перейдём к беспроводным интерфейсам, очевидным преимуществом которых является отсутствие проводов. Начнём с инфракрасного порта, или IrDA. Он является самым старым из всех беспроводных интерфейсов. Скорость передачи данных этого интерфейса составляет 2,4 Кбит/с-16 Мбит/с. Наиболее часто используется в мобильных телефонах и пультах дистанционного управления. При двухсторонней связи действует на расстоянии до 50 см, а при односторонней связи до 10 м.

Огромную популярность в последнее время обрёл Bluetooth, который очень широко используется в мобильных телефонах. Этот интерфейс был так назван в честь Харальда Синезубого - короля Дании. Радиус его действия составляет примерно 100 метров, но наличие стен и прочих препятствий может его существенно сократить. Обмен информации осуществляется на скорости в пределах 3 Мбит/с, а в новой версии данного стандарта Bluetooth 3.0 скорость может доходить до 24 Мбит/с.

Беспроводным аналогом стандарта Ethernet является Wi-Fi, название которого в переводе означает беспроводная точность. Этот интерфейс обеспечивает соединение на скорости 54-480 Мбит/с, с радиусом действия 450 метров при отсутствии препятствий.

Усовершенствованной версией Wi-Fi является WiMAX, радиус действия, которого может доходить и до 10 км, а информация передаётся со скоростью от 30 Мбит/с до 1 Гбит/с.

Очевидно, что современной робототехнике для управления роботами требуется множество различных параметров. Их передача реализуется через различные интерфейсы передачи данных характеризующиеся различными скоростями передачи данных, типом передаваемой информации и способом её передачи.

В Таблица 3.3 представлены наиболее распространённые и часто встречающиеся в робототехнике и стандарты связи.

Таблица 3.3

Как видно из таблицы среди проводных последовательных интерфейсов RS-232С самый медленный, однако в силу простоты реализации большой распространенности в мире его использование наиболее приемлимо для учебных моделей и прототипов на которых отрабатываются различные тестовые принципы и алгоритмы. Так как его поддержка реализована в 99% программных продуктов на уровне стандартных библиотек интерфейсов по разработке ПО для современных компьютеров, а возможности которые предоставляет данный протокол связи позволяют контролировать наличие ошибок в линии, что достаточно для большинства схем. Конечно не стоит забывать и о параллельном интерфейсе однако он обладает существенными недостатками: прежде всего это очень низкая скорость передачи данных которая в некоторых случаях становится узким местом в реализации схемы, необходимость в прокладке большего числа кабелей по сравнению с последовательным интерфейсом передачи данных и малой длинной линии обусловленной очень низкой помехозащищённостью. Всё это делает данный интерфейс неудобным в реализации и мало подходящим для создания связи между микроконтроллерами и управляющей схемой.

Среди беспроводных протоколов для целей управления простыми роботами наиболее подходящим является стандарт связи ZigBee в связи с малой потребляемой мощностью оборудования работающего по этому стандарту и его направленности на данный сектор задач.

Последовательный интерфейс RS-232С

Данный последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяется стандартом EIA RS-232-C (Таблица) и рекомендациями V.24 CCITT. Изначально он создавался для связи компьютера с терминалом однако в настоящее время используется в самых различных целях.

Интерфейс RS-232-C предназначен для соединения двух устройств. При чём линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот, данный режим называется полнодуплексным. Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение хотя и возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных линий для обеспечения функций определения статуса и управления.

Таблица 3.4

Основными преимуществами использования RS-232C являются возможность передачи на большие (по сравнению с параллельным интерфейсом) расстояния и более простая схема разводки кабеля. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами в добавок к ним может присутствовать и бит чётности, но как правило он не используется.

Современный компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем (более распространённый и в дальнейшем будет рассматриваться и подразумеваться только он) для подключения RS-232C. Распайка контактов для (DB9P).

Таблица 3.5. Порядок обмена по интерфейсу RS-232C

Наименование	Направление	Описание	Контакт (DB9P)
		Carrie Detect (Определение несущей)
		Receive Data (Принимаемые данные)
		Transmit Data (Передаваемые данные)
		Data Terminal Ready (Готовность терминала)
		System Ground (Корпус системы)
		Data Set Ready (Готовность данных)
		Request to Send (Запрос на отправку)
		Clear to Send (Готовность приема)
		Ring Indicator (Индикатор)

Назначение сигналов следующее:

FG - защитное заземление (экран).

TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде

RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде

RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.

CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.

DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.

SG - сигнальное заземление, нулевой провод.

DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).

DTR - готовность выходных данных.

RI - индикатор вызова. Используется при соединение с модемом и приеме им сигнала вызова по телефонной сети. В нашем случае вообще не используется.

Для связи наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для двунаправленной передачи).

Использование двухпроводной линии связи возможно только в случае передачи из компьютера во внешнее устройство, при этом используются используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов интерфейса задействуются только при соединении компьютера с модемом что в данном случае не актуально.

Данные соопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами их количество не принципиально. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определннные интервалы времени. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение - не должно превышать 10%.

Скорость передачи по RS-232C в соответствии со стандартом может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Очевидно что данная вольность в выборе скорости позволяет подобрать наиболее оптимальные условия для передачи данных.

Замечу, что данные передаются в инверсном коде т.е. логической единице соответствует низкий уровень, а логическому нулю - высокий уровень сигнала.

Обмен данными по последовательному интерфейсу осуществляется с помощью обращений по специально выделенным для этого портам COM1 (адреса 3F8h…3FFh, прерывание IRQ4), COM2 (адреса 2F8h…2FFh, прерывание IRQ3), COM3 (адреса 3F8h…3EFh, прерывание IRQ10), COM4 (адреса 2E8h…2EFh, прерывание IRQ11). Аналогичное описание присутствует и в документации к любому микроконтроллеру использующему данный интерфейс связи.

Однако возникает вопрос о достаточности скорости работы данного интерфейса при использовании протокола RS-232С с максимальной скоростью передачи составляющей 115200 бит/с. Разрешить подобный вопрос позволяет простая формула. Для расчёта по которой требуется знать скорость интерфейса, некоторые его особенности и количество байт требуемое для управления приводом (некоторым приводам требуется всего один байт, а некоторым 2 или даже 3 для управления, но этот параметр определяется особенностью самого привода)

Формула (для выяснения количества обновлений задания для привода за 1 секунду:

где i - количество обновления команд за 1 секунду, V - скорость канала,

N - количество приводов, S - количество байт требуемое для управления 1 приводом, k - служебные байты, предназначенные для активации контроллера, порядковый № привода, контрольная сумма, а 10 это количество бит передаваемых за одну посылку по протоколу RS-232С т.е. 8 бит даннных плюс один стартовый и один стоповый бит. Бит чётности не используется. Тогда для змеевидного робота Змеелок получается:

Что означает: за 1 секунду приводы могут максимально получить ~182 команды что более чем достаточно для реализации управления т.к. по расчётам минимально необходимое количество обновлений в секунду составляет 20 - 40 обновлений.

В связи со всем вышеизложенным на начальном этапе разработки змеевидного робота целесообразно направить усилия на создание многозвенного робота с проводным интерфейсом RS-232С с последующим переходом на интерфейс CAN или беспроводной ZigBee как более скоростные и современные.

Интерфейсы – это устройство, позволяющее производить обмен данными между источником и приемником.

Параллельный интерфейс .

Представляет собой n – разрядную шину, по которой параллельно вводятся или выводятся данные по линиям связей, каждая из которых имеет свой вес. По n-разрядной шине производится обмен данными между источником и приемником.

Допустим данные вводятся в ВУ из АЦП, тогда АЦП – источник, ВУ – приемник. Сигнал CS выбирается при совпадении адреса на ША установленного процесса и адреса присвоенного порту или устройству с которым происходит обмен данными. Устройства, адреса которых не совпадают с адресом устройств на ША, находятся в нейтральном состоянии («отдыхают»). Данные устанавливаются на ШД одновременно.

Данные маркируются по разрядам. В каждый разряд можно записать либо 0, либо 1. Номер разряда соответствует его весу. При объединении 4-х разрядов в 1-н знак, получим младший и старший разряд. Для того, что бы записать в разряд число, нужно сложить значение старшего и младшего разряда.

К параллельному интерфейсу относятся: внутренние шины (адресов, данных), интерфейс для принтера, для подключения внешних устройств, таких как ISA, PCI, AGP, LPT.

Достоинство: высокая скорость передачи информации.

Недостаток: Ограниченная длина линии связи, подверженность воздействию внешних помех, скорость передачи информации ограничена внутренней шиной.

Параллельные интерфейсы используются для обмена данными внутри ПК и внешним устройством, находящихся на небольшом расстоянии (LPT ~ 3м).

Если скорость обмена данными между процессором и внешним устройством не соответствует скорости, на которой работает процессор, используют буферезацию.

Буфер – это память, которая может обмениваться данными на скорости, соответствующей скорости внешнего устройства (заполнение буфера) и впоследствии обмениваться данными между буфером и процессором на скорости процессора.

Пример буферов: КЭШ память, буферная память в составе устройств ввода/вывода данных (платы с АЦП, видеокарты).

Последовательный интерфейс .

Данные передаются последовательно по одному проводу. К последовательным интерфейсам относятся: COM- порт, USB, PC/2 (мышка, клавиатура). Можно связывать между собой только два устройства.

Последовательные синхронные интерфейсы (ПСИ) – для передачи данных используются кроме линии данных линии тактовых импульсов (сигналов).

Чтение запись данных производится по фронту тактового импульса (-импульса синхронизации обмена данными).

Если к линии данных подключено более одного устройства, то выбор устройства, с которым производится обмен данными осуществляется специальным сигналом CS.

К этим интерфейсам относится: SPI, I 2 C

Эти интерфейсы применяются для обмена данными внутри ВУ, содержащих в своем составе микроконтроллер и некоторую периферию (АЦП, ЦАП, датчик температур) внутри прибора.

Последовательный асинхронный интерфейс (ПАН)

В составе ПАН нет сигналов синхронизации (нет CLK (тактовых сигналов)). Обмен данными осуществляется последовательной установкой на линию данных битов данных на равные интервалы времени.

● Последовательные асинхронные полудуплексные интерфейсы

RxD – приемник,

TxD – передатчик.

Через равные интервалы времени передается состояние одного и того же разряда. В данном типе интерфейсов при передаче данных могут участвовать только 2 устройства (приемник и пердатчик).

1– стартовый импульс (синхронизирует процесс передачи);

2– передается байт данных (количество передаваемых бит 5-8);

3 – передается служебная информация (бит проверки на четность);

4– стоповые биты (минимум 2) – разделительные биты между последовательно передаваемыми посылками.

3+4 – служебные биты

Бит проверки на четность применяют для исключения случайных ошибок (значение бита равно 1 или 0 в информативном такте, значение устанавливается таким, чтобы общее число единиц было четным).

Если в байте три единицы, то бит четности = 1, если 6, то бит четности =0.

Стоповые биты определяют минимальный интервал времени между соседними посылками. Их может быть 1 или 2 в зависимости от принятого протокола обмена данными. Если посылка данных осуществляется через интервал времени больший чем интервал стоповых битов, то это не приводит к сбою передачи данных по интерфейсу, если меньше, то приводит.

Скорость передачи данных измеряется в [бод]. (1 бод = 1 бит/с).

Достоинства:

Для передачи данных требуется минимум проводов,

Хорошо работает на длинных дистанциях.

Проще сама реализация интерфейса.

Недостаток:

Т.к. данные идут последовательно, длина линии связи может составлять до сотен метров;

Скорость передачи данных меньше, чем у параллельного интерфейса (эту проблему можно решить за счет длительности тактов)

Использовался в первых телеграфных релейных линиях связи.

● Последовательные асинхронные дуплексные интерфейсы

Дуплексный режим – одновременно информация передается в обе стороны. Источник и приемник имеют разные приоритеты.

Промышленный интерфейс RS-485 (Дуплексный режим)

Этот интерфейс позволяет подключать в одной ШД несколько устройств.

Master – означает что компьютер первым посылает запрос по линии связи RS-485, содержащей адрес устройства с которым будет вести обмен данными. Все устройства принимают этот запрос находясь в режиме ожидания, и то устройство адрес которого совпадает с заданным ПК номером принимает или передает данные в соответствии с установленным протоколом обмена данных.

Как правило все устройства - исполнительные механизмы.

RS-422 (Полудуплексный режим)

tком > tуп

tком – время посылки между командами

tуп – время передачи данных любого из устройств (длительность ответа n-го устройства для исключения конкуренции сигналов по линии передачи данных).

Для преобразования сигналов служат специализированные преобразователи. Устройства преобразования сигналов интерфейсов RS-422, RS-485 имеют в своем составе гальваническую развязку. Передача данных по линиям интерфейсов RS-422, RS-485 осуществляется по 2-м проводам с использованием дифференциальной линии связи для уменьшения влияния внешних проводов.

Data+ Data-	Rs-485
TxD+ TxD- RxD+ RxD-	RS-422

Длина линии связи может достичь до 1 км с использованием стандартного устройства преобразования.

Типы устройств ввода/вывода

1.Устройства, устанавливаемые на шину компьютера (PSI ,ISA). Имеют связь непосредственно с внутренней шиной, достаточно быстро могут вводить информацию.

2. Внешние устройства (COM – port, LPT – port, USB - port). Устройство вывода преобразует цифровой код в напряжение. Платы цифрового (дискретного) вывода информации применяются для управления оборудованием по принципу «включен/выключен».

В состав современных плат ввода - вывода сигнала может быть включен Digital Signal Processor (DSP – цифровой сигнальный процессор). Он выполняет функцию предварительной обработки вводимых сигналов.

Может осуществлять мультиплексирование подаваемых на АЦП данных; цифровую фильтрацию данных (удаление помех), частотный анализ сигнала (строится путем преобразований Фурье).

Характеристики устройств ввода/вывода

Характеристики для АЦП:

Количество разрядов;

Максимальное входное напряжение (Существует ряд стандартных максимальных напряжений: 1; 2,5; 5; 10 В);

Полярность (однополярный: U=0÷Umax, двухполярный: U=-Umax÷Umax);

Наличие мультиплексера (предназначен для переключения каналов и определения, с какого канала пойдет сигнал на АЦП)

При наличии мультиплексера появляется такой параметр, как частота преобразования канала АЦП. В паспорте АЦП указывается общая частот преобразования. Поэтому, если f p - частота преобразования, указанная в паспорте, то часта преобразования одного канала: f канала =f p /m, где m – число каналов.

Наличие гальванической развязки (применяется для разделения нулевых потенциалов работы вычислительных и внешних устройств);

Объем буферной памяти (для высокочастотных систем).

При записи происходит потеря информации, т.к. скорость записи меньше скорости считывания.

Во многих АЦП есть возможность подключения дифференциального сигнала.