что такое интерфейс передачи данных
Интерфейсы микроконтроллеров (Часть 1)
Итак что же такое интерфейс?
Вездесущая Википедия дает такой ответ: Физический (аппаратный) интерфейс — способ взаимодействия физических устройств. Чаще всего речь идёт о компьютерных портах.
Т.е. если мы попытаемся связать наш микроконтроллер с другими устройствами нам потребуется знать определенный набор правил, методов и характеристик оборудования, чтобы сделать это безболезненно. Давайте рассмотрим основные типы интерфейсов, которые мы можем встретить «на борту» микроконтроллера.
Последовательный интерфейс UART/USART
Подключать UART надо, так сказать «наоборот» RXD к TXD, а TXD к RXD как на картинке ниже:
Все сигналы UART передаются специально выбранными уровнями, обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи. Отметим, что данные передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий уровень, логическому нулю — высокий уровень. Более подробно о логических уровнях смотрите тут — www.drive2.ru/b/2528993/).
Формат передаваемых данных показан на рисунке 4. Собственно данные (5, 6, 7 или 8 бит) сопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы времени. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение — не более 10%). Скорость передачи по RS-232C может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с.
Последовательный периферийный интерфейс SPI
Последовательный периферийный трехпроводный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) предназначен для организации обмена данными между двумя устройствами. С его помощью может осуществляться обмен данными между микроконтроллером и различными устройствами, такими, как цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др. С помощью этого интерфейса удобно производить обмен данными между несколькими микроконтроллерами AVR.
Кроме того, через интерфейс SPI может осуществляться программирование микроконтроллера.
Изначально он был придуман компанией Motorola, а в настоящее время используется в продукции многих производителей. Его наименование является аббревиатурой от ‘Serial Peripheral Bus’, что отражает его предназначение — шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу ‘ведущий-подчиненный’. В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSP-контроллер или специализированная ИС. Подключенные к ведущему шины внешние устройства образуют подчиненных шины. В их роли выступают различного рода микросхемы, в т.ч. запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, цифровые потенциометры, специализированные контроллеры и др.
Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.
Электрическое подключение
Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала.
Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 6. Здесь, ведущий шины передает данные по линии MOSI синхронно со сгенерированным им же сигналом SCLK, а подчиненный захватывает переданные биты данных по определенным фронтам принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный отправляет свою посылку данных. Представленную схему можно упростить исключением линии MISO, если используемая подчиненная ИС не предусматривает ответную передачу данных или в ней нет потребности. Одностороннюю передачу данных можно встретить у таких микросхем как ЦАП, цифровые потенциометры, программируемые усилители и драйверы. Таким образом, рассматриваемый вариант подключения подчиненной ИС требует 3 или 4 линии связи. Чтобы подчиненная ИС принимала и передавала данные, помимо наличия сигнала синхронизации, необходимо также, чтобы линия SS была переведена в низкое состояние. В противном случае, подчиненная ИС будет неактивна. Когда используется только одна внешняя ИС, может возникнуть соблазн исключения и линии SS за счет жесткой установки низкого уровня на входе выбора подчиненной микросхемы. Такое решение крайне нежелательно и может привести к сбоям или вообще невозможности передачи данных, т.к. вход выбора микросхемы служит для перевода ИС в её исходное состояние и иногда инициирует вывод первого бита данных.
При необходимости подключения к шине SPI нескольких микросхем используется либо независимое (параллельное) подключение (рис. 7), либо каскадное (последовательное) (рис. 8).
Основные интерфейсы передачи данных
Интерфейс передачи данных говоря простым языком это своеобразный переходник между узлами, он знает, как передавать данные, что при этом использовать и чего ждать в ответ. А вот официальное определение уже звучит сложнее — это некая граница между двумя объектами или узлами, которые регламентируются особым принятым стандартом и реализуются с помощью установленных методов, средств и правил. Рассмотрим основные виды интерфейсов передачи данных.
Интерфейс Ethernet
С ним сталкивался практически каждый пользователь. Первоначальное его предназначение коммуникация между офисными устройствами. Для реализации первых соединений применялась линейная топология, и простой коаксиальный кабель. На сегодняшний момент данный подход уже устарел, да и наверное большинство пользователей удивляться как можно было компы соединить между собой коаксиальным кабелем, а раньше были такие сетевые карты. Сейчас в основе построения сетей используется топология «звезда», реализуемая и делимая на части маршрутизаторами и коммутаторами. По интерфейсу Ethernet можно передавать информацию со скоростью 10, 100, 1000 Мбит/сек. Одной из особенностей данного интерфейса является наличие MAC адреса, который вшит в аппаратную часть Вашей сетевой карты, приблизительно это как IMEI сотового телефона. С помощью него происходит распознавание того узла, который отправил и получил данные. Каждый MAC адрес уникален, достигается это тем, что разработчики устройств делят между собой общее множество значений. За тремя старшими байтами в MAC — адресе закреплен свой производитель.
Интерфейс USB
Также популярный интерфейс последовательной передачи данных USB (Universal Serial Bus). Все современные устройства оборудованы данным интерфейсом, главная его особенность в том, что используется технология Plung and Play. Означает это, что любое устройство с интерфейсом USB можно подключать и работать, в большинстве случаев избегая установки дополнительных драйвером. Например: флешки, переносные жесткие диски, клавиатуры, мыши и т. п. Одним из существенных плюсов USB подача питания на одном из контактов, что в свою очередь позволяет исключить дополнительный источник питания при подключении оборудования.
Интерфейс IrDA
Данный вид интерфейса уже практически устарел и многие даже не вспомнят его. А вот в недалеком прошлом без него практически невозможно было подключить первые сотовые телефоны к компьютеру. Его задача состояла в том, чтобы подключить то или иное оборудование с помощью инфракрасного излучения. Скорость передачи была очень низкой составляла всего 2400 — 115 200 bps, и ограничение нельзя было использовать на больших расстояниях. Как и упоминал выше, данный интерфейс в основном использовался в сотовых телефонах, но и компьютерная техника не исключение. На сегодняшний момент такую технологию применяют в пультах дистанционного управления различных устройств, например телевизоры, аудио-видео аппаратура и т. п.
Интерфейс HDMI
Данный интерфейс позволяет передавать медиа данные. Отличительной способность от старого интерфейса VGA, он позволяет передавать видео со звуком. Имеет большую пропускную способность и позволяет транслировать видео высокой четкости. Аббревиатура HDMI именно так и расшифровывается Hugh Definition Multimedia Interface.
Интерфейс Bluetooth
Он пришел на смену IrDA и сейчас активно используется во многих устройствах для создания связи между ними. Например: мышки, телефоны, ноутбуки, внешняя акустика и т. п. Производители заявляют радиус действия 100 метров, но на практике таких показателей добиться очень трудно, как правило составляет порядка 10 метров. Средняя скорость передачи данных составляет 3 Мбит/с.
Интерфейс Wi-Fi
Достаточно новый вид интерфейса, но уже завоевавший сердца многих пользователей. Основное его преимущество это беспроводное подключение. Используется практически во всех электронных устройствах, начиная от компьютеров, телевизоров и заканчивая лампочками и умными розетками. Технические характеристики постоянно улучшаются и усовершенствуются. Средняя скоро передачи составляет от 450 до 1300 Мбит/с.
Вам понравилась статья и есть желание помочь моему проекту, можете пожертвовать на дальнейшее развитие воспользовавшись формой ниже. Или достаточно просто открыть пару баннеров с рекламой, это тоже поможет мне, но и не затруднит Вас.
Введение в сетевую терминологию, интерфейсы и протоколы
Базовое понимание сетевых технологий необходимо любому человеку, который имеет отношение к управлению сервером. Эти знания помогут вам запустить и отладить работу сетевых сервисов и своевременно обнаружить проблемы.
В данной статье представлен базовый обзор общих сетевых терминов и протоколов, а также характеристики различных уровней сетевого взаимодействия.
Основные сетевые термины
В данном разделе вы найдёте определения основных терминов и понятий, имеющих отношение к созданию и управлению сетями.
Конечно, этот список нельзя назвать исчерпывающим – он содержит только основные понятия, которые используются в сетевых технологиях.
Сетевые уровни
Сетевое взаимодействие часто представляют в виде горизонтальных соединений между хостами, однако реализация такого взаимодействия распределяется по вертикали по всему компьютеру или сети.
Существует множество встроенных друг в друга технологий и протоколов, которые упрощают сетевое взаимодействие. Каждый последующий, более высокий уровень упрощает использование необработанных данных приложениями и пользователями.
Это также позволяет использовать более низкие уровни для обработки трафика, не тратя время и силы на разработку новых протоколов и приложений.
Когда машина отправляет данные, они попадают на высший сетевой уровень и фильтруются каждым последующим уровнем. На самом низком уровне происходит фактическая передача на другую машину, после чего данные фильтруются уровнями в обратном порядке.
Каждый уровень может добавить оболочку вокруг полученных данных, что поможет следующим уровням понять, что делать с данными при их передаче.
Модель OSI
OSI (Open Systems Interconnect) – это базовая модель взаимодействия открытых систем, которая состоит из 7 уровней:
Модель TCP/IP
Модель TCP/IP (набор протоколов Internet) – ещё одна популярная модель, которая состоит из 4 уровней (они совпадают с некоторыми уровнями OSI):
Сетевые интерфейсы
Интерфейсы являются сетевыми точками связи компьютера. Каждый интерфейс связан с физическим или виртуальным сетевым устройством.
Как правило, на вашем сервере будет один настраиваемый сетевой интерфейс для каждой имеющейся Ethernet-карты или беспроводной интернет-карты.
Кроме того, сервер определит виртуальный сетевой интерфейс (loopback, или localhost). Он используется как интерфейс для соединения приложений и процессов на одном компьютере с другими приложениями и процессами. Во многих инструментах он упоминается как интерфейс «lo».
Администраторы часто используют один интерфейс (обычно eth0) для обслуживания трафика в Интернете, а другой интерфейс (eth1) – для локальной или частной сети.
Протоколы
Сетевые технологии подразумевают совмещение нескольких различных протоколов. Таким образом, одна часть данных может быть передана с помощью нескольких протоколов, встроенных друг в друга.
Рассмотрим самые популярные и распространённые протоколы, начиная с протоколов низкого уровня.
Протокол управления доступом к среде
Media access control, или протокол управления доступом к среде используется для различения устройств. Предполагается, что каждое устройство получает уникальный MAC-адрес, который отличает его от любого другого устройства в Интернете.
Присваивание оборудованию MAC-адресов позволяет ссылаться на устройство по уникальному значению, даже если программное обеспечение устройства изменило его имя.
Media access control является одним из базовых протоколов канального уровня.
Протокол IP
Протокол IP – один из основных протоколов сети Интернет. IP-адреса уникальны в каждой сети и позволяют машинам обращаться друг к другу через сеть. Протокол реализован на сетевом уровне модели IP/TCP.
Сети могут быть связаны между собой, но трафик должен быть маршрутизирован при пересечении границ сети. Этот протокол предусматривает небезопасную сеть и несколько путей к тому же адресату.
Существует несколько различных реализаций протокола IP. Наиболее распространенной реализацией является IPv4, хотя из-за нехватки доступных адресов IPv4 и улучшения возможностей протоколов все более популярным становится IPv6.
Протокол ICMP
Протокол ICMP (internet control message protocol) – это протокол, который используется для отправки сообщений между устройствами. Эти пакеты используются многими сетевыми инструментами диагностики (например, ping и traceroute).
Обычно ICMP-пакеты передаются, когда пакет другого типа сталкивается с какой-либо проблемой. В основном, они используются как механизм обратной связи для сетевых коммуникаций.
Протокол TCP
Протокол TCP (transmission control protocol) – протокол управления передачей данных. Он реализован на транспортном уровне модели IP/TCP и используется для установления безопасных соединений.
TCP – один из протоколов, которые помещают данные в пакеты. Затем он передает пакеты удаленному концу соединения, используя методы нижних уровней. На другом конце соединения он может проверять ошибки, запрашивать определенные фрагменты и повторно собирать информацию в один логический элемент для отправки на прикладной уровень.
Протокол создает соединение до передачи данных при помощи трёхэтапного квитирования. Этот способ позволяет участникам соединения подтвердить запрос и согласовать способ обеспечения безопасности данных.
После отправки данных соединение сбрасывается с помощью механизма четырёхэтапного квитирования.
Протокол TCP используется в электронной почте, WWW, FTP, SSH. Можно с уверенностью сказать, что без TCP интернет не был бы таким, каким мы его знаем сегодня.
Протокол UDP
UDP (user datagram protocol) – это протокол пользовательских датаграмм, популярный сопутствующий протокол для TCP, который также реализуется на транспортном уровне.
Основное отличие между UDP и TCP состоит в том, что UDP предоставляет небезопасную передачу данных. Он не проверяет, были ли данные получены на другом конце соединения. Часто это считается серьёзным недостатком, однако некоторым функциям необходим именно такой механизм.
Поскольку UDP не проверяет получения данных, он намного быстрее, чем TCP. Он не устанавливает соединение с удаленными нодами, а просто передаёт данные на этот хост.
Такие простые транзакции используются в простых взаимодействиях (например, для запроса сетевых ресурсов). UDP также является отличным протоколом для передачи данных с одной машины на множество клиентов в режиме реального времени. Он идеально подходит для VOIP, игр и других приложений, которые должны работать без задержки.
Протокол HTTP
HTTP (hypertext transfer protocol) – это протокол передачи гипертекста. Он реализуется на прикладном уровне, который формирует основу для коммуникации в Интернете.
HTTP определяет ряд функций, которые сообщают удаленной системе о запросе. Например, GET, POST и DELETE взаимодействуют с запрошенными данными по-разному.
Протокол FTP
FTP (file transfer protocol) – это протокол передачи файлов. Он также находится на прикладном уровне и обеспечивает способ передачи полных файлов с одного хоста на другой.
Этот протокол по своей природе небезопасен, поэтому его не рекомендуется использовать в любой открытой сети (если только он не реализован как общедоступный ресурс, предназначенный только для загрузки файлов).
Протокол DNS
DNS (domain name system) – это система доменных имен. Этот протокол прикладного уровня предоставляет удобный механизма именования интернет-ресурсов. Он связывает доменное имя с IP-адресом и позволяет вам обращаться к сайтам по имени в вашем браузере.
Протокол SSH
SSH (secure shell) – это протокол шифрования, реализованный на прикладном уровне, который может использоваться для безопасного обмена данными с удаленным сервером. На этом протоколе основано много дополнительных технологий.
Существует много других важных протоколов, которые не охвачены в этой статье. Однако теперь вы знакомы с базовыми сетевыми протоколами и их применением.
Интерфейсы передачи информации
То что вы видите на мониторе — интерфейс. Клавиатура с мышкой — интерфейс. И даже окно регистратуры в больнице — это тоже интерфейс.
Во встраиваемых системах чаще всего под словом «интерфейс» понимают физический блок МК отвечающий за передачу данных. Они могут быть последовательными или параллельными, синхронными или асинхронными, дифференциальными или обычными.
Параллельные и последовательные интерфейсы
Допустим нам нужно переслать 1 байт (8 бит) информации. Как это сделать? Можно выделить под каждый бит по одной ножке МК (линии), тогда для передачи потребуется 8 ножек, плюс одна, которая будет говорить принимающей стороне что передача закончена и нужно считать входной сигнал. Такой интерфейс называется параллельным (англ. parallel): группа битов передаётся одновременно за один квант времени. К таким интерфейсам относится PCI (32 линии) и её можно встретить в LCD знакогенерирующих индикаторах (например WINSATR).
Можно поступить по другому и передавать данные по одной линии, кодируя, например, 1 как высокий уровень сигнала (3,3 В), а 0 как низкий (0 В). В таком случае потребует всего одна ножка МК для передачи и одна что бы сообщать когда этот сигнал считывать. Такие интерфейсы называют последовательными (англ. serial): N битов передаётся по одному за N-квантов времени. Примером последовательного интерфейса — USART.
Параллельный интерфейс, как не сложно догадаться, быстрее в N-раз, однако требует в N-раз больше линий. В микроконтроллерах чаще всего присутствуют только последовательные интерфейсы (периферийные блоки, которые делают всё автоматически), к ним относятся SPI, I 2 C, I 2 S, CAN, USART и USB. Некоторые из них мы рассмотрим подробнее в этом курсе.
Синхронные и асинхронные интерфейсы
Кодировка битов может быть осуществлена не только как 1 — высокий уровень и 0 — низкий уровень. В интерфейсе 1-Wire 1 и 0 кодируется одновременно и низким и высоким уровнем, отличается лишь их заполнение временного отрезка. Вы увидите это дальше в курсе, когда мы будем разбираться с датчиком температуры.
В интерфейсе SPI напротив, считывание сигнала происходит только по команде тактирующей линии.
Дифференциальные интерфейсы
Опять же вопрос, зачем два провода, когда можно использовать один? UART вроде хорошо работал на одной линии. На самом деле нет. UART хорошо работает на низких скоростях. При повышении частоты передачи начинают влиять паразитные ёмкости и индуктивности и сигнал просто теряется. Дифф-пара позволяет понизить напряжение, уменьшить электро-магнитное излучение, уменьшить потребление и повысить устойчивость приёма сигнала.
Выбирать дифференциальную пару, конечно, нужно не только в тех случаях, где требуется высокая скорость передачи, но и там, где «шумная» среда. В электронике автомобиля используется другой интерфейс, под названием CAN. Скорость передачи данных там не высокая, за-то она обеспечивает хороший приём в условиях жёсткой эксплуатации.
К слову, проводной интернет (Ethernet) так же построен на дифференциальной паре.
Режим работы
Некоторые интерфейсы могут поддерживать несколько режимов работы, другие напротив способны работать только в одном определённом.
Если устройство использует два канала, один для приёма и второй для передачи, и при этом обмен данными может происходить одновременно, то такой режим работы называют полным дуплексом (англ. full duplex). Ваш мобильный телефон работает в таком режиме: вы можете слушать человека и говорить ему что-либо одновременно. Если используется два канала, но передача и приём может производится только одним устройством в один момент времени, то такой режим работы называется полудуплексным (англ. half-duplex). И наконец, если используется один канал, следовательно общение может проходить только разделённое во времени, то такой режим называется симплексным (англ. simplex).
Свойство шины
Каждый интерфейс предъявляет свои требования к шине данных. В таких интерфейсах как UART может быть только два устройства (принимающее и отправляющее). При этом с точки зрения иерархии нет никакой разницы, оба устройства равнозначны. В интерфейсе SPI устройств может быть несколько, но только одно (на самом деле не всегда, но это исключение) является главным, т.е. ведущим или мастером (англ. master). Все остальные устройства являются ведомыми или подчинёнными (англ. slave). При этом SPI требует подводить к каждому устройству линию выбора (англ. chip select). Общение ведётся только с тем устройством, на линии которого присутствует сигнал активации.
То самое чувство, когда микросхема испустила дух, выпустила магический дым.
Сравнение некоторых интерфейсов
Все данные в таблице — ориентировочные, многое зависит от скорости передачи, напряжения, среды распространения и т.д.
Интерфейсы
Внутренние интерфейсы
Внешние интерфейсы
Режимы обмена информации
Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в противоположных направлениях имеет существенно различающиеся значения, или симметричным.
Полудуплексный режим позволяет передавать информацию в противоположных направлениях поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала.
Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении передаются только вспомогательные сигналы интерфейса).
Параллельный интерфейс
Интерфейс Centronics и стандарт IEEE 1284
Разъeмы
Длина соединительного кабеля не должна превышать 3 метров. Конструкция кабеля: витые пары в общем экране, либо витые пары в индивидуальных экранах.
Физический интерфейс
Базовый интерфейс Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом, содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии 8 для передачи данных, строб, линии состояния устройства). Данные передаются в одну сторону: от компьютера к внешнему устройству. Но полностью однонаправленным его назвать нельзя. Так, 4 обратные линии используются для контроля за состоянием устройства. Centronics позволяет подключать одно устройство, поэтому для совместного очерeдного использования нескольких устройств требуется дополнительно применять селектор. Скорость передачи данных может варьироваться и достигать 1,2 Мбит/с. Упрощeнная таблица сигналов интерфейса Centronics
Режимы работы
Стандарт IEEE-1284 включает в себя следующие документы:
В настоящее время стандарт IEEE-1284 не развивается.