Микропроцессорная техника в приборах, системах и комплексах

Андрей Николаевич, старший преподаватель кафедры 303

интерфейсом понимается совокупность унифицированных стандартных программных и конструктивных средств для

передачи данных!
Составными физическими частями интерфейса являются электрические цепи, называемые линиями.
Линии группируются по их функциональному назначению и в этом случае называются шинами.

данных (количество бит (байт), передаваемых в единицу времени) без ошибок;
Длина

интерфейса – максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами (измеряется в м, км… );
Общее число линий и шин в интерфейсе;
Количество параллельно передаваемой информации по шинам интерфейса – ширина интерфейса (измеряется в битах);
Электрические параметры сигналов, передаваемых по линиям и шинам интерфейса.

– количество символов, передаваемых в секунду, по линии связи. Единица

измерения – бод (baud); названа в честь Эмиля Бодо.
1 бод = 1 бит/с только для двоичного кодирования!!!

Эмиль Бодо
1845 – 1903

информационных сетях:
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)/USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter);
I2C (Inter-Integrated

Circuit);
SPI (Serial Peripheral Interface);
USB (Universal Serial Bus);
CAN (Controller Area Network);
Ethernet;
Интерфейсы RS-XXX:
RS-232;
RS-422;
RS-485;
Беспроводные технологии: Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth, GSM, GPRS…

формы в параллельную и обратно.
UART может представлять собой как отдельное

устройство, так и быть частью ИМС.
Чаще всего UART применяется для передачи данных через последовательный порт компьютера или периферийного устройства.
Также UART часто встраивается в микроконтроллеры.

передающая сторона по очереди выдаёт в линию 0 и 1,

а принимающая отслеживает их и запоминает.
Состав UART:
тактовый генератор;
входной и выходной сдвиговые регистры;
контроллер приёма/передачи;
контроллер чтения/записи.
Синхронизация идёт по времени — приёмник и передатчик заранее договариваются о том на какой частоте будет идти обмен.
Режим обмена данными может быть как дуплексный, так и полудуплексный. Передача данных ведётся посылками.

2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600

бод. Из них чаще всего используются скорости от 2400 до 115200 бод.
Количество бит данных в одной посылке может быть от 5 до 9. Чаще всего одна посылка содержит 7 или 8 бит данных.
В силу низкой помехозащищенности и других причин UART используется в пределах одного устройства и не пригоден для длинных соединений. Таким образом, длина интерфейса исчисляется сантиметрами.

Это старт-бит. Приёмник выжидает интервал Т1 и считывает первый бит

данных. Далее с интервалом Т2 считываются остальные биты. Последний бит – стоп-бит (может быть 1,5 и 2 стоп-бита), говорящий о том, что передача завершена, всегда равен 1 (высокий уровень).
В конце перед стоп-битом может стоять бит чётности, необходимый для контроля качества передачи.

фирмой Philips в начале 1980-х как простая шина внутренней связи

для создания управляющей электроники.
Используется для соединения низко-скоростных периферийных компонентов с материнской платой, встраиваемыми системами и мобильными телефонами.
Последняя версия стандарта – I2C 6 (2014).

открытым стоком – последовательная линия данных (SDA

– Serial DAta) и последовательная линия тактирования (SCL – Serial CLock), обе нагруженные резисторами.

Пример шины I2C с одним микроконтроллером (uC Master) и тремя подчинёнными (Slave) устройствами (ADC – АЦП, DAC – ЦАП, uC – 2-й микроконтроллер)

Допускаются и другие напряжения.
Также накладывается ограничение на общую емкость линии.

Она не должна быть больше 400 пФ.
Сопротивление подтяжки линий SCL и SDA к источнику питания обычно имеет величину до 10 кОм.
Длина шины может достигать нескольких метров.

скорости – 10 кбит/с (с 1982?);
Режим повышенной скорости – 400

кбит/с (с 1992);
Режим повышенной скорости + – 1 Мбит/с (с 2007);
Высокоскоростной режим – 3,4 Мбит/с (с 1998);
Сверхвысокоскоростной однонаправленный режим – 5 Мбит/с (с 2012).

Кроме того, с 1998 года введены требования к пони-женному энергопотреблению, а с 2007 года – механизм идентификации устройств.

быть программно адресовано по уникальному адресу. Для выбора приёмника сообщения

ведущий использует уникальную адресную компоненту в формате посылки. При использовании однотипных устройств, ИС часто имеют дополнительный селектор адреса, который может быть реализован как в виде дополнительных цифровых входов селектора адреса, так и в виде аналогового входа. При этом адреса таких однотипных устройств оказываются разнесены в адресном пространстве устройств, подключённых к шине.
В обычном режиме используется 7-битная адресация (до 112 периферийных устройств на одной шине).
Процедура адресации на шине I2C заключается в том, что первый байт после сигнала СТАРТ определяет, какой ведомый адресуется ведущим для проведения цикла обмена. Исключение составляет адрес "Общего вызова", который адресует все устройства на шине.

адрес ведомого. Восьмой, младший бит, определяет направление пересылки данных. "Ноль"

означает, что ведущий будет записывать информацию в выбранного ведомого. "Единица" означает, что ведущий будет считывать информацию из ведомого.
После того, как адрес послан, каждое устройство в системе сравнивает первые семь бит после сигнала СТАРТ со своим адресом. При совпадении устройство полагает себя выбранным как ведомый-приёмник или как ведомый-передатчик, в зависимости от бита направления.
Адрес ведомого может состоять из фиксированной и программируемой части. Количество программируемых бит в адресе зависит от количества свободных выводов микросхемы.
Все ИМС, поддерживающие работу в стандарте шины I2C, имеют набор фиксированных адресов, перечень которых указан производителем в описаниях контроллеров.
Комбинация бит 11110ХХ адреса зарезервирована для 10-битной адресации (1008 устройств на одной шине).

формирует состояние СТАРТ - переход сигнала линии SDA из ВЫСОКОГО

состояния в НИЗКОЕ при ВЫСОКОМ уровне на линии SCL. Этот переход воспринимается всеми устройствами, подключенными к шине как признак начала процедуры обмена.
Процедура обмена завершается тем, что ведущий формирует состояние СТОП - переход состояния линии SDA из НИЗКОГО состояния в ВЫСОКОЕ при ВЫСОКОМ состоянии линии SCL.
Состояния СТАРТ и СТОП всегда вырабатываются ведущим.
Считается, что шина занята после фиксации состояния СТАРТ. Шина считается освободившейся через некоторое время после фиксации состояния СТОП. При передаче посылок по шине I2C каждый ведущий генерирует свой синхросигнал на линии SCL. После формирования состояния СТАРТ, ведущий опускает состояние линии SCL в НИЗКОЕ состояние и выставляет на линию SDA старший бит первого байта сообщения.
Количество байт в сообщении не ограничено.
Спецификация шины I2C разрешает изменения на линии SDA только при НИЗКОМ уровне сигнала на линии SCL. Данные действительны и должны оставаться стабильными только во время ВЫСОКОГО состояния синхроимпульса.

передатчика ведомым - приемником в спецификации протокола обмена по шине

I2C вводится специальный бит подтверждения, выставляемый на шину SDA после приема 8 бита данных.
Подтверждение при передаче данных обязательно. Передатчик отпускает линию SDA на время синхроимпульса подтверждения. Приёмник должен удерживать линию SDA в течение ВЫСОКОГО состояния синхроимпульса подтверждения в стабильном НИЗКОМ состоянии.
В случае, когда ведомый-приёмник не может подтвердить свой адрес, линия данных должна быть оставлена в ВЫСОКОМ состоянии. После этого ведущий может выдать сигнал СТОП для прерывания пересылки данных.

Тактировка последовательности передачи данных по шине I2C

низкую себестоимость изготовления при относительно неплохой скорости работы.
Возможные применения:
Доступ

к модулям памяти NVRAM;
Доступ к низкоскоростным АЦП/ЦАП;
Регулировка контрастности, насыщенности и цветового баланса мониторов;
Регулировка звука в динамиках;
Управление светодиодами (в том числе в мобильных телефонах);
Чтение информации с датчиков мониторинга и диагностики оборудования;
Чтение информации с часов реального времени (кварцевых генераторов);
Управление включением/выключением питания системных компонент.

дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения

микроконтроллеров и периферии.
В отличие от стандартного последовательного порта, SPI является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом (1–70 МГц), генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая периферия (ведомая) синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (chip select) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участие в передаче по SPI.

(Master Out Slave In) – выход ведущего, вход ведомого. Служит

для передачи данных от ведущего устройства ведомому.
MISO или SO (Master In Slave Out) – вход ведущего, выход ведомого. Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.
SCLK или SCK (Serial CLocK) – последовательный тактовый сигнал. Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.
CS или SS (Chip Select, Slave Select) – выбор микросхемы, выбор ведомого.
В зависимости от количества и типа подключаемых периферийных устройств некоторые сигналы могут отсутствовать.
Таким образом шина интерфейса SPI может состоять из двух, трёх или четырёх сигнальных линий.

дополнение к установ-ке тактовой частоты ведущий должен устано-вить полярность CPOL

и фазу CPHA тактового сигнала по отношению к передаваемым данным.
Во всех сочетаниях CPOL и CPHA значение сигнала SCLK должно быть стабильным до того, как сигнал SS станет активным.

Временные диаграммы передачи данных при различных CPOL и CPHA

сигнал SS ведущего.
Сигналы SCLK, MISO, MOSI подключены «звездой».
Альтернативная конфигурация –

кооперативное подключение ведомых устройств.
Сигнальные линии MISO и MOSI ведущего и ведомых образуют кольцо.
SCLK и SS подключены «звездой».

меньше или равную максимальной частоте, поддерживаемой ведомым устройством.
Затем ведущий переводит

сигнал SS для выбранного ведомого из ВЫСОКОГО состояния в НИЗКОЕ. При необходимости ведущий ждёт в течение требуемого периода времени, а затем начинает выдавать сигнал синхронизации.
В течение каждого такта синхронизации SPI при полнодуплексной передаче данных происходит следующее:
Ведущий посылает бит на линию MOSI, а ведомый читает его оттуда;
Ведомый посылает бит на линию MISO, ведущий читает его оттуда.

размером слова (например, 8-битовые), связанные в кольцо. Один находится в

ведущем устройстве, а другой – в ведомом.
Данные передаются с помощью сдвига, начиная со старшего значащего бита и заканчивая младшим.
После этого ведущий и ведомый берут полученные данные, делают с ними что-либо.
Если есть ещё данные для передачи, то они загружаются в сдвиговые регистры и цикл повторяется.
Передаваемые данные чаще всего содержат 8-битные слова, и ведущий может инициировать несколько сеансов передачи, если потребуется.
Каждый ведомый, не активированный сигналом SS, должен игнорировать входной сигнал синхронизации и сигнал MOSI, а также должен не подавать на выход сигнал MISO!

способность, чем у I2C
ведомые устройства используют тактовый сигнал ведущего
ведомым устройствам

не требуются уникальные адреса
требует гораздо меньше выводов ИМС, чем параллельные интерфейсы
Недостатки:
поддерживает только одно ведущее устройство
работоспособен на меньших расстояниях по сравнению с RS-232, RS-485, CAN
отсутствует адресация по основной линии связи; требуется отдельная линия выбора устройства (SS)

с АЦП, ЦАП, ЖКИ, внешними микросхемами памяти, преобразователями интерфейсов.
Альтернативная конфигурация

шины используется в составе специализированного отладочного интерфейса JTAG.

«ведущее устройство» (хост, USB-контроллер) и «ведомое устройство».
Топология шины древовидная. К

одному контроллеру шины можно подключить до 127 периферийных устройств. Периферийное устройство может быть разветвителем, и тогда к нему можно подключить ещё 127 устройств.

питания – 5 В)
2 линии в дифференциальном включении для приёма/передачи

данных

Расположение линий шины USB в двух типах разъёмов кабелей USB

и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе

номер оконечной точки на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe).
Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному и 4 классов - поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt).

пакетами "вопрос-ответ". Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет

программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в т.ч. коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.
Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки - пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода человеком (клавиатуры/мыши/джойстики).
Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed). Используется для передачи аудио и видео информации.
Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматический временный приостанов передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опусто-шение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

начале периода контроллер передает всей шине пакет "начало периода". Далее

в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.
Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместными усилиями аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют крайне сложный DMA (Direct Memory Access) со сложной DMA-программой, формируемой драйвером.
Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB (степени двойки).

к персональному компьютеру широкого спектра периферийных устройств таких, как: принтер,

сканер, клавиатура, мышь, цифровая аудио- и видеотехника и др.
Кабели, применяемые для присоединения устройств по шине USB, строго ориентированы также как и сама шина: к ведущему устройству подключается разъём типа А, а к ведомому – разъём типа В. Также существуют разъёмы miniUSB и microUSB типов А и В.

USB тип А

USB тип В

miniUSB типы А и В

microUSB тип В

двухстороннего 24-контактного разъёма для USB-устройств и USB-кабелей.
Разъёмы USB Type-C служат

для подключения как к периферийным устройствам, так и к компьютерам, заменяя различные разъёмы и кабели типов A и B предыдущих стандартов USB, и предоставляя возможности расширения в будущем.
Коннектор предоставляет 4 пары контактов для питания и заземления, две дифференциальные пары D+/D- для передачи данных на скоростях менее SuperSpeed (в кабелях Type-C подключена только одна из пар), четыре дифференциальные пары для передачи высокоскоростных сигналов SuperSpeed, два вспомогательных контакта (sideband), два контакта конфигурации для определения ориентации кабеля, выделенный канал конфигурационных данных (кодирование BMC — biphase-mark code) и контакт питания +5 V для активных кабелей.

до 20 м. Информация передается по проводам с уровнями сигналов,

отличающимися от стандарт-ных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с уста-новленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

E, 1991 г.) был разработан для простого применения, однозначно определяемого

по его названию "Интерфейс между терминаль-ным оборудованием и связным оборудо-ванием с обменом по последовательному двоичному коду". Каждое слово в назва-нии значимое, оно определяет интерфейс между терминалом (DTE) и модемом (DCE) по передаче последовательных данных.

Однако современное оборудование может работать значи-тельно быстрее. Не имеет значения

на сколько быстрое (медленное) ваше соединение – максимальное число чтения за секунду можно установить с помощью используемого программного обеспечения.

с соответствующим количеством линий:
DB25 – 25 линий;
DB9 – 9 линий;
RJ45

– 8 линий.

Далее будет рассмотрен вариант RS-232 с девятью линиями.

не может обработать принимаемые данные от компьютера или другого устройства.

Устройство использует управление потоком для прекращения передачи данных. Могут использоваться аппаратное или программное управление потоком.

провода в кабеле, а не передачу специальных символов по линиям

данных. Поэтому аппаратное управление потоком не замедляет обмен в отличие от протокола Xon-Xoff. При необходимости послать данные компьютер устанавливает сигнал на линии RTS. Если приемник (модем) готов к приему данных, то он отвечает установкой сигнала на линии CTS, и компьютер начинает посылку данных. При неготовности устройства к приему сигнал CTS не устанавливается.

и Xoff. Код ASCII символа Xon - 17, а ASCII

код Xoff - 19. Модем имеет маленький буфер, поэтому при его заполнении модем посылает символ Xoff компьютеру для прекращения посылки данных. При появлении возможности приема данных посылается символ Xon и компьютер продолжит пересылку данных. Этот тип управления имеет преимущество в том, что не требует дополнительных линий, т.к. символы передаются по линиям TD/RD. Но на медленных соединениях это может привести к значительному замедлению соединения, т.к. каждый символ требует 10 битов.

напрямую; DTE-DTE):
3-проводный минимальный;
5-проводный с управлением потоком;
7-проводный полный;
кабель мониторинга.

сигнала готовности от аппаратуры передачи данных. В схеме соединений вход

замкнут на выход DTR (контакт 4). Это означает, что программа не видит сигнала готовности другого устройства, хотя он есть. Аналогично устанавливается сигнал на входе DCD (контакт 1). Тогда при проверке сигнала DSR для контроля возможности соединения будет установлен выходной сигнал DTR.
Это соответствует 99% коммуникационного программного обеспечения. Под этим подразумевается, что 99% программного обеспечения с этим нуль-модемным кабелем примут проверку сигнала DSR.
Аналогичный трюк применяется для входного сигнала CTS. В оригинале сигнал RTS (контакт 7) устанавливается и затем проверяется CTS (контакт 8). Соединение этих контактов приводит к невозможности зависания программ по причине отсутствия ответа на запрос RTS.

Только сигналы индикатора вызова и определения несущей не подключены.
Этот кабель

не разрешает использовать предыдущий метод контроля передачи данных. Основная несовместимость – перекрестное соединение сигналов RTS и CTS. Первоначально эти сигналы использовались для контроля потоком данных по типу запрос/ответ. При использовании полного нуль-модемного кабеля более нет запросов. Эти сигналы применяются для сообщения другой стороне есть ли возможность соединения.

компьютера возможен при помощи специального кабеля. Два разъема подключаются к

устройствам, а третий подключается к наблюдающему компьютеру. Этот кабель принимает информацию от двух источников только на один приемный порт RS-232. Поэтому, если оба устройства начнут одновременную работу, контролируемая информация на входе компьютера будет нарушена. В большинстве случаев связь осуществляется в полудуплексном режиме. Для этих режимов этот кабель будет работать без проблем.