Interfețe hardware

O interfață (interacțiune) este conexiunea dintre componente și participanți într-un sistem cu microprocesor.

V sistem cu microprocesor include: hardware, software și oameni... Prin urmare, se disting următoarele tipuri de interfețe:

• interfață hardware;

• interfață software;

• interfața cu utilizatorul.

Interfață de programare furnizată de sistemul de operare (dacă există). Cele mai comune interfețe de utilizator sunt o interfață grafică (de exemplu, un desktop de computer cu pictograme sau butoane de comandă în editorul Microsoft Office Word) și o interfață cu joystick, unde selectăm comanda de care avem nevoie navigând prin meniuri (de exemplu, telefoane mobile). , controlere programabile) , care este, de asemenea, un tip de GUI.

O interfață hardware este un sistem de magistrale, conectori, dispozitive de potrivire, algoritmi și protocoale care asigură comunicarea între toate părțile unui sistem cu microprocesor. Performanța și fiabilitatea sistemului depind de caracteristicile interfeței.

În sistemele cu microprocesoare încorporate, interfața hardware este furnizată de controlerele de descărcare a CPU.Controler Este un microcircuit specializat conceput pentru a îndeplini funcții de monitorizare și control. Controlerul gestionează funcționarea dispozitivului, de exemplu, hard disk, memorie cu acces aleatoriu, tastatură și asigură conectarea acestui dispozitiv cu alți participanți la MS.

Anvelopele sunt controlate de poduri... În MS complex, de exemplu, cum ar fi un computer personal, locul central este ocupat de «ChipSet» (ChipSet) - un set de poduri și controlere. Chipsetul conține două cipuri principale, care sunt denumite în mod tradițional podul de sud și podul de nord (Figura 1). Northbridge-ul servește magistrala de sistem, magistrala de memorie, AGP (portul grafic accelerat) și este controlerul principal al computerului. Podul de sud gestionează lucrul cu dispozitive externe (bus PCI — magistrală I/O pentru conectarea dispozitivelor periferice).

Figura 1 – Organizații de schimb de date în computere personale (PC-uri)

Organizarea interacțiunii dintre procesor și dispozitivele externe este cea mai dificilă, datorită varietății mari a acestora.

Interfețele paralele sunt caracterizate prin aceea că folosesc linii de semnal separate pentru a transmite biții, iar biții sunt transmiși simultan. Interfața paralelă clasică este un port LPT.

O interfață de transmisie serială de date utilizează o singură linie de semnal pe care biți de informații sunt transmise secvenţial unul după altul.

Cea mai simplă interfață serială, care a devenit larg răspândită atât în ​​computere, cât și în sistemele industriale, este standardul RS-232, care este implementat de COM — porturi... În automatizarea industrială, este utilizat pe scară largă RS-485.

O magistrală USB (Universal Serial Bus) conectează o mare varietate de dispozitive periferice la computer, inclusiv telefoane mobile și electronice de larg consum.

Prima specificație de interfață se numește USB 1.0, specificația USB 2.0 este utilizată în prezent, dispozitivele moderne sunt conectate la specificația USB 3.0.

Standardul USB 2.0 conține patru linii: recepție și transmisie de date, sursă de alimentare +5 V și carcasă. Pe lângă acestea, USB 3.0 adaugă încă patru linii de comunicație (2 pentru recepție și două pentru transmitere) și o carcasă.

Autobuzul USB are o lățime de bandă mare (USB 2.0 oferă o rată maximă de transfer de date de până la 480 Mbps, USB 3.0 — până la 5,0 Gbps) și oferă nu numai transfer de date, ci și alimentare cu energie pentru dispozitivele externe cu putere redusă (curent maxim). dispozitiv de consum prin liniile de alimentare ale magistralei USB, nu trebuie să depășească 500 mA pentru USB 2.0 și 900 mA pentru USB 3.0), ceea ce elimină necesitatea surselor de alimentare externe.

Interfețele fără fir (wireless) vă permit să vă îndepărtați de cablurile de comunicație, ceea ce este deosebit de important pentru dispozitivele de dimensiuni mici, în dimensiune și greutate comparabile cu cablurile. Utilizarea interfețelor fără fir undele electromagnetice infraroșu (IrDA) și intervale de frecvență radio (Bluetooth, USB wireless).

O interfață IrDA în infraroșu permite comunicarea fără fir între două dispozitive la o distanță de până la 1 metru. Comunicare în infraroșu - conexiune IR (infraroșu) - sigură pentru sănătate, nu provoacă interferențe în domeniul de frecvență radio și asigură confidențialitatea transmisiei. Razele infraroșii nu trec prin pereți, așa că zona de recepție este limitată la o zonă mică, ușor de controlat.

Bluetooth (dintele albastru) este o interfață radio cu putere redusă (puterea emițătorului doar aproximativ 1 mW) pentru organizarea rețelelor personale care asigură transmisie de date în timp real pe distanțe scurte. Fiecare dispozitiv Bluetooth are un transmițător și un receptor radio de 2,4 GHz. Raza de acțiune a interfeței radio este de aproximativ 100 m - pentru a acoperi o casă standard.

Wireless USB (USB wireless) — o interfață radio cu rază scurtă de acțiune, cu lățime de bandă mare: 480 Mbps la o distanță de până la 3 metri și 110 Mbps la o distanță de până la 10 metri. Funcționează în intervalul de frecvență 3,1 - 10,6 GHz.

O interfață RS-232 (RS – Recommended Standard) conectează două dispozitive — un computer și un dispozitiv de transfer de date. Viteza de transmisie este de 115 Kbps (maxim), distanța de transmisie este de 15 m (maxim), schema de conectare este punct la punct.

Semnalele de la această interfață sunt transmise printr-o cădere de tensiune de (3 ... 15) V, prin urmare lungimea liniei de comunicație RS-232 este, de regulă, limitată la o distanță de câțiva metri datorită imunității scăzute la zgomot. Cel mai des este folosit în echipamente industriale, într-un computer personal este folosit pentru a conecta un manipulator de tip „mouse”, un modem. Interfața RS-232, în general, nu permite conectarea în rețea, deoarece conectează doar 2 dispozitive.

Figura 2 — Conector RS-232 de tip DB9

Interfața RS-485 este o interfață serială industrială de mare viteză, anti-brulare utilizată pe scară largă pentru transmisia de date în două sensuri. Aproape toate computerele moderne din design industrial, majoritatea senzorilor și unităților conțin una sau alta implementare a interfeței RS-485.

O pereche de fire răsucite (pereche răsucită) este suficientă pentru transmiterea și recepția datelor.Transmiterea datelor se realizează folosind semnale diferențiale (semnalul original trece pe un fir, iar copia sa inversă este pe celălalt.). Diferența de tensiune a unei polarități între fire înseamnă una logică, diferența celeilalte polarități înseamnă zero.

În prezența interferențelor externe, robinetele din firele adiacente sunt aceleași și, deoarece semnalul este diferența de potențial în fire, nivelul semnalului rămâne neschimbat. Acest lucru oferă imunitate ridicată la zgomot și o lungime totală a liniei de comunicație de până la 1 km (și mai mult cu utilizarea dispozitivelor speciale - repetoare).

Interfața RS-485 oferă schimb de date între mai multe dispozitive printr-o linie de comunicație cu două fire în mod semi-duplex (recepția și transmisia trec printr-o pereche de fire separate în timp). Este utilizat pe scară largă în industrie pentru a crea sisteme de control al procesului.

Ethernet (ether — ether) — tehnologie de transmisie a datelor utilizată în majoritatea rețelelor locale de calculatoare. Această interfață se bazează pe standardul IEE 802.3. În timp ce interfața RS-485 poate fi considerată pe o bază unu-la-mulți, Ethernet funcționează pe o bază multi-la-mulți.

Există mai multe opțiuni în funcție de rata de biți și de mediul de transmisie:

• Ethernet - 10 Mbps

• Fast Ethernet - 100 Mbps

• Gigabit Ethernet - 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Cablul coaxial, perechea răsucită (cost redus, imunitate ridicată la zgomot) și cablul optic (crearea de linii mai lungi și canale de comunicare de mare viteză) sunt utilizate ca medii de transmisie.

Pereche răsucită (pereche răsucită) - un tip de cablu de comunicație, este una sau mai multe perechi de fire izolate răsucite împreună și acoperite cu o manta de plastic.

De exemplu, cablu FTP (pereche răsucită — pereche răsucită cu un ecran comun de folie și conductor de cupru pentru drenarea curenților induși), 4 perechi (solide), categoria 5e (Figura 3). Cablul este destinat instalării staționare în clădiri, structuri și lucrări în sisteme de cabluri structurate. Proiectat pentru aplicații care operează în domeniul de frecvență cu o limită superioară de 100 MHz.

Figura 3 — pereche răsucită: 1 — manta exterioară, 2 — folie de protecție, 3 — fir de scurgere, 4 — folie de protecție, 5 — pereche răsucită

La nivel fizic, protocolul Ethernet este implementat sub formă de plăci de rețea încorporate în sisteme cu microprocesoare și hub-uri care conectează sistemele între ele.

Rețelele industriale (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) sunt construite pe baza Ethernet, care concurează cu succes cu rețelele dezvoltate anterior Profibus, DeviceNet, CANopen etc.