Hardware-interfaces

Een interface (interactie) is de verbinding tussen componenten en deelnemers in een microprocessorsysteem.

V microprocessor systeem omvat: hardware, software en mensen... Daarom worden de volgende soorten interfaces onderscheiden:

• hardware-interface;

• software-interface;

• gebruikersomgeving.

Programmeerinterface geleverd door het besturingssysteem (indien aanwezig). De meest voorkomende gebruikersinterfaces zijn een grafische interface (bijvoorbeeld het bureaublad van een computer met pictogrammen of opdrachtknoppen in de Microsoft Office Word-editor) en een joystickinterface, waar we de opdracht selecteren die we nodig hebben door door menu's te navigeren (bijvoorbeeld mobiele telefoons , programmeerbare controllers) , wat ook een soort GUI is.

Een hardware-interface is een systeem van bussen, connectoren, bijpassende apparaten, algoritmen en protocollen die zorgen voor communicatie tussen alle onderdelen van een microprocessorsysteem. De prestaties en betrouwbaarheid van het systeem zijn afhankelijk van de kenmerken van de interface.

In ingebedde microprocessorsystemen wordt de hardware-interface geleverd door de CPU-offloadcontrollers.Controller Het is een gespecialiseerde microschakeling die is ontworpen om bewakings- en controlefuncties uit te voeren. De controller beheert de werking van het apparaat, bijvoorbeeld harde schijf, RAM, toetsenbord, en zorgt voor de verbinding van dit apparaat met andere deelnemers in de MS.

Banden worden bestuurd door bruggen... In bijvoorbeeld complexe MS, zoals een personal computer, wordt de centrale plaats ingenomen door de «ChipSet» (ChipSet) - een set van bruggen en controllers. De chipset bevat twee hoofdchips, die traditioneel de zuidbrug en de noordbrug worden genoemd (afbeelding 1). De Northbridge bedient de systeembus, geheugenbus, AGP (accelerated graphics port) en is de hoofdcontroller van de computer. De south bridge-handles werken met externe apparaten (PCI-bus — I/O-bus voor het aansluiten van randapparatuur).

Figuur 1 — Organisaties voor gegevensuitwisseling in personal computers (pc's)

De organisatie van de interactie tussen de processor en externe apparaten is het moeilijkst vanwege hun grote verscheidenheid.

Parallelle interfaces worden gekenmerkt doordat ze afzonderlijke signaallijnen gebruiken om bits te verzenden en de bits tegelijkertijd worden verzonden. De klassieke parallelle interface is een LPT-poort.

Een seriële datatransmissie-interface gebruikt een enkele signaallijn waarover bits informatie achtereenvolgens worden verzonden.

De eenvoudigste seriële interface, die zowel in computers als in industriële systemen wijdverbreid is geworden, is de RS-232-standaard, die wordt geïmplementeerd door COM-poorten... In industriële automatisering wordt RS-485 veel gebruikt.

Een USB-bus (Universal Serial Bus) verbindt een grote verscheidenheid aan randapparatuur met uw computer, waaronder mobiele telefoons en consumentenelektronica.

De eerste interfacespecificatie heet USB 1.0, momenteel wordt de USB 2.0-specificatie gebruikt, moderne apparaten worden aangesloten op de USB 3.0-specificatie.

De USB 2.0-standaard bevat vier lijnen: gegevensontvangst en -overdracht, +5 V-voeding en behuizing. Daarnaast voegt USB 3.0 nog vier communicatielijnen toe (2 voor ontvangen en twee voor verzenden) en een behuizing.

De USB-bus heeft een hoge bandbreedte (USB 2.0 biedt een maximale gegevensoverdrachtsnelheid van maximaal 480 Mbps, USB 3.0 - tot 5,0 Gbps) en biedt niet alleen gegevensoverdracht, maar ook voeding voor externe apparaten met laag vermogen (maximale stroomsterkte verbruiksapparaat via de voedingskabels van de USB-bus, mag niet hoger zijn dan 500 mA voor USB 2.0 en 900 mA voor USB 3.0), waardoor er geen externe voedingen nodig zijn.

Met draadloze (draadloze) interfaces kunt u afstand nemen van communicatiekabels, wat vooral belangrijk is voor apparaten van klein formaat, qua grootte en gewicht vergelijkbaar met kabels. Draadloze interfaces gebruiken elektromagnetische golven infrarood (IrDA) en radiofrequentiebereiken (Bluetooth, USB draadloos).

Een infrarood IrDA-interface maakt draadloze communicatie mogelijk tussen twee apparaten op een afstand van maximaal 1 meter. Infraroodcommunicatie - IR (infrarood) verbinding - veilig voor de gezondheid, veroorzaakt geen interferentie in het radiofrequentiebereik en zorgt voor de privacy van de transmissie. Infraroodstralen gaan niet door muren, dus het ontvangstgebied is beperkt tot een klein, gemakkelijk te controleren gebied.

Bluetooth (bluetooth) is een radio-interface met laag vermogen (zendvermogen slechts ongeveer 1 mW) voor het organiseren van persoonlijke netwerken die real-time gegevensoverdracht over korte afstanden mogelijk maken. Elk Bluetooth-apparaat heeft een 2,4 GHz radiozender en -ontvanger. Het bereik van de radio-interface is ongeveer 100 m - om een ​​standaard huis te dekken.

Wireless USB (USB wireless) — een korteafstandsradio-interface met hoge bandbreedte: 480 Mbps op een afstand van maximaal 3 meter en 110 Mbps op een afstand van maximaal 10 meter. Het werkt in het frequentiebereik 3,1 - 10,6 GHz.

Een RS-232 (RS — Recommended Standard) interface verbindt twee apparaten: een computer en een apparaat voor gegevensoverdracht. De transmissiesnelheid is 115 Kbps (maximaal), de transmissieafstand is 15 m (maximaal), het verbindingsschema is point-to-point.

Signalen van deze interface worden verzonden door een spanningsval van (3 … 15) V, daarom is de lengte van de RS-232-communicatielijn in de regel beperkt tot een afstand van enkele meters vanwege de lage ruisimmuniteit. Het wordt meestal gebruikt in industriële apparatuur, in een personal computer wordt het gebruikt om een ​​"muis" -type manipulator, een modem, aan te sluiten. De RS-232-interface staat over het algemeen geen netwerk toe, omdat er maar 2 apparaten op aangesloten kunnen worden.

Afbeelding 2 — DB9-type RS-232-connector

RS-485-interface is een veelgebruikte snelle, anti-jamming industriële seriële interface voor tweerichtingsgegevensoverdracht. Bijna alle moderne computers in industrieel ontwerp, de meeste sensoren en aandrijvingen bevatten een of andere implementatie van de RS-485-interface.

Voor datatransmissie en -ontvangst is één getwist aderpaar (twisted pair) voldoende.Gegevensoverdracht wordt uitgevoerd met behulp van differentiële signalen (het originele signaal gaat op de ene draad en de omgekeerde kopie op de andere). Het spanningsverschil van de ene polariteit tussen de draden betekent een logische, het verschil van de andere polariteit betekent nul.

In de aanwezigheid van externe interferentie zijn de aftakkingen in aangrenzende draden hetzelfde en aangezien het signaal het potentiaalverschil in de draden is, blijft het signaalniveau ongewijzigd. Dit zorgt voor een hoge ruisimmuniteit en een totale lengte van de communicatielijn tot 1 km (en meer bij gebruik van speciale apparaten - repeaters).

De RS-485-interface zorgt voor gegevensuitwisseling tussen verschillende apparaten via een tweedraads communicatielijn in half-duplex-modus (ontvangst en verzending gaan via één paar in tijd gescheiden draden). Het wordt veel gebruikt in de industrie om procesbesturingssystemen te creëren.

Ethernet (ether — ether) — technologie voor gegevensoverdracht die wordt gebruikt in de meeste lokale computernetwerken. Deze interface is gebaseerd op de standaard IEE 802.3. Terwijl de RS-485-interface kan worden beschouwd als een-op-veel-basis, werkt Ethernet op een veel-op-veel-basis.

Er zijn verschillende opties, afhankelijk van de bitsnelheid en het transmissiemedium:

• Ethernet — 10 Mbps

• Snel Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 gigabit-ethernet

Coaxkabel, twisted pair (lage kosten, hoge ruisimmuniteit) en optische kabel (creatie van langere lijnen en snelle communicatiekanalen) worden gebruikt als transmissiemedia.

Twisted pair (twisted pair) - een soort communicatiekabel, bestaat uit een of meer paren geïsoleerde draden die in elkaar zijn gedraaid en zijn bedekt met een plastic omhulsel.

Bijvoorbeeld FTP-kabel (twisted pair - twisted pair met een gemeenschappelijke folieafscherming en koperen geleider voor het afvoeren van geïnduceerde stromen), 4 paren (massief), categorie 5e (afbeelding 3). De kabel is bedoeld voor stationaire installatie in gebouwen, constructies en werken in gestructureerde kabelsystemen. Ontworpen voor toepassingen die werken in het frequentiebereik met een bovengrens van 100 MHz.

Afbeelding 3 — getwist paar: 1 — buitenmantel, 2 — foliescherm, 3 — aarddraad, 4 — beschermfolie, 5 — getwist paar

Op fysiek niveau wordt het Ethernet-protocol geïmplementeerd in de vorm van netwerkkaarten die zijn ingebed in microprocessorsystemen en hubs die de systemen met elkaar verbinden.

Industriële netwerken (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) zijn gebouwd op basis van Ethernet, die succesvol concurreren met de eerder ontwikkelde netwerken Profibus, DeviceNet, CANopen, etc.