Интерфейсы передачи данных. Обзор основных интерфейсов передачи данных Что такое интерфейсы передачи данных
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.
ИНТЕРФЕЙС - это стандартизованная среда turn способ обмена информацией между двумя или более единицами оборудования: приборами, контроллерами, персональный компьютером и т.п.
Интерфейсы информационного обмена между приборами, применяемые в промышленности, могут быть двух типов:
«точка-точка», соединяющий два прибора между собой;
мультиприборный, позволяющий подключать более двух приборов на одну линию передачи данных.
Основная характеристика интерфейса - пропускная способность, которая показывает, сколько бит информации передается по интерфейсу за 1 секунду и измеряется в bit per second (bps, Mbps), или бит в секунду (бит/с, Мбит/с). Необходимо учитывать, что эта пропускная способность включает «накладные расходы», связанные со способом передачи данных. Для разных интерфейсов и протоколов доля полезной информации, передаваемой в секунду, может быть от 30 % до 90 % от общей пропускной способности.
ПРОТОКОЛ - это стандартизованный набор правил передачи информации по какому-либо интерфейсу.
Для сложных протоколов принята практика разделения их на несколько уровней (слоев). При этом каждый уровень реализуется отдельно и дополнительно стандартизуется обмен между уровнями. Это также позволяет заменять какие-то уровни (например, для адаптации к разным интерфейсам), оставляя неизменными другие.
Интерфейсы и протоколы, используемые в приборах и контроллерах
|
Интерфейс |
Пропускная способность |
Длина линии связи |
Протоколы |
|
|
мультиприборный (до 32 приборов) |
стандартно 115200 bps, есть реализации до 2 Mbps |
не более 1200 м (без повторителя) | ||
|
точка-точка |
не более 3м |
|||
|
«токовая петля» |
точка-точка |
до 115200 bps |
не более 1000 м |
|
|
Ethernet 10/100 base T (по витой паре) |
точка-точка |
не более 100 м | ||
|
точка-точка |
не более 3 м |
Mass Storage Device |
||
|
точка-точка |
Совместимость приборов - это их способность осуществлять ин формационный обмен между собой. Каждый из приборов, участвующих в информационном обмене, должен иметь определенный интерфейс и понимать определенный протокол. И даже в этом случае не гарантируется возможность обмена, т.к. один прибор может оказаться неспособным передавать ту информацию, которую требуется получать другому. Но что делать, если приборы способны к передаче нужной информации, но имеют разные интерфейсы и/или понимают разные протоколы? В этом случае требуется применение преобразователей интерфейсов или шлюзов.
Преобразователь интерфейсов - это устройство, имеющее два или более различных интерфейсов, ретранслирующее информацию из одного интерфейса в другой (другие). При этом передача информации осуществляется без ее преобразования. Поэтому к преобразователю интерфейсов имеет смысл подключать только те устройства, которые способны работать по одному протоколу.
Шлюз (или мост) - это интеллектуальное устройство, способное к преобразованию данных из одного протокола в другой. При этом шлюз может выступать также и в качестве преобразователя интерфейсов. Шлюз, в отличие от преобразователя интерфейса, требует дополнительной настройки, т.к. ему требуется указать, какие данные по каким протоколам надо принимать и передавать.
Интерфейс RS -485. При проектировании промышленных систем автоматизации наибольшее распространение получили информационные сети, основанные на интерфейсе стандарта EIA RS-485. Это высокоскоростной и помехоустойчивый последовательный интерфейс, который позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии.
Большинство приборов, предназначенных для работы в информационной сети, имеют встроенный интерфейс RS-485.
В обычном персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому для подключения к ПК промышленной сети RS-485 необходим специальный адаптер - преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 или RS-485/USB (например, ОВЕН АСЗ-М или АС4).
По интерфейсу RS-485 данные передаются с помощью «симметричного» (дифференциального) сигнала по двум линиям (А и В). Максимальная длина линии связи между крайними устройствами может составлять до 1200 м (и более с использованием повторителей). При длине линии связи более 100 м в максимально удаленных друг от друга точках сети рекомендуется устанавливать оконечные согласующие резисторы номиналом от 100 до 250 Ом, позволяющие компенсировать волновое сопротивление кабеля и минимизировать амплитуду отраженного сигнала. Количество приборов в сети не должно превышать 32 (без использования повторителя).
Интерфейс RS -232. Интерфейс стандарта EIA RS-232C предназначен для последовательной связи двух устройств (соединение «точка-точка»). Он является общепринятым и широко используется для подсоединения внешнего оборудования к ПК. Передача данных по интерфейсу RS-232C осуществляется с помощью «несимметричного» сигнала по двум линиям - TxD и RxD, а амплитуда сигнала измеряется относительно линии GND («нуля») (см. рис.).
Несимметричность сигнала обуславливает низкую помехозащищенность данного интерфейса, особенно при промышленных помехах, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров. Наличие линий приема (RxD) и передачи (TxD) данных позволяет поддерживать полнодуплексную передачу информации, т.е. одновременно информация может как передаваться, так и приниматься. Устройства для связи по интерфейсу RS-232 обычно соединяются кабелем с 9-контактными или 25-контактными разъемами (DB9, DB25 и др.).
Интерфейс «токовая петля» (разновидность RS-232). «Токовая петля» - разновидность интерфейса RS-232, также обеспечивающая связь двух приборов (соединение «точка-точка»). Информация в токовой петле передается не напряжением, а током по двухпроводной линии, что обеспечивает высокий уровень помехозащищенности. Стандарт «токовая петля» позволяет передавать данные на расстояния до 1000 м со скоростью до 19,2 кбит/с. Из-за наличия одной линии связи стандартом обеспечивается полудуплексная передача данных, т.е. в каждый момент времени информация может либо передаваться, либо приниматься.
Приборы могут иметь встроенный интерфейс «токовая петля», которые могут быть подключены:
1) к ПК через адаптер «токовая петля»/RS-232;
2) к сети RS-485 через шлюз «токовая петля»/RS-485.
Рис. Типовые схемы подключения приборов с интерфейсом
«токовая петля» к сети
Интерфейс Ethernet . Ethernet - транспортная технология для передачи данных в вычислительных сетях, преимущественно локальных. Протокол, используемый в кабельных сетях Ethernet - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий (ошибок). Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. Этот интерфейс получил широкое распространение в компьютерных сетях благодаря высокой пропускной способности и помехоустойчивости. Чаще используется встроенный интерфейс Ethernet 10/100 Base-T, что позволяет встраивать приборы и ПЛК в распределенные информационные системы более высокого уровня.
Интерфейс USB . Стандарт USB разработан как альтернатива более «медленным» компьютерным стандартам RS-232 и LPT. В настоящее время устройства с интерфейсом USB 2.0 позволяют передавать данные со скоростью до 480 Мбит/с.
Интерфейс USB, как и RS-48S, является симметричным и позволяет передавать данные по двум проводам (D+ и D-), при этом логические уровни аналогичны соответствующим уровням стандарта RS-485. Интерфейс USB имеет линии питания Vcc и GND для запитывания подключенного устройства (при условии, что потребляемый им ток не превышает 500 мА). После установки драйвера операционная система распознает подключаемое устройство как СОМ-порт и использует стандартный асинхронный режим передачи данных, применяемый для работы с аппаратным СОМ-портом.
С задачей разработки устройств обмена данными в той или
иной мере сталкивался практически каждый разработчик. В случае выбора протокола
для нового изделия всегда встает вопрос о компромиссе между сложностью
аппаратных средств интерфейса («амуниции») и протоколом передачей данных
(«конституции»). Кроме того, присматриваясь к новомодному интерфейсу, не следует
забывать, что очень часто в наших скромных задачах достаточно возможностей
старого доброго RS232 или RS485, реализация которых к тому же исключительно
дешева и многократно отработана.
Последние несколько лет помимо прочих прелестей принесли
разработчику и целый букет новых интерфейсов, позволяющих без помех передавать
большие объемы информации на значительное расстояние. Современные ПЛИС ведущих
производителей имеют встроенную аппаратную реализацию таких интерфейсов,
как GTL, LVDS. Однако практически вся современная элементная база устройств
обработки сигналов рассчитана на работу от питающего напряжения не выше 3,3 В,
что вызывает необходимость разработки способов сопряжения указанных интерфейсов
с традиционными. В то же время на русском языке практически отсутствует
литература по этому вопросу. Многие компании опубликовали руководства по
применению ИС для реализации технических средств интерфейса , но, к
сожалению, они не всегда доступны российскому читателю.
Рис. 1. Области применения интерфейсов передачи данных
На рис. 1 представлены области использования различных
интерфейсов передачи данных в координатах расстояние - скорость передачи.
Как нетрудно заметить, если требуется передача
информации на расстояние больше нескольких десятков сантиметров, стандартные
логические уровни оказываются неудовлетворительными. На помощь приходят
специализированные протоколы. Какой же из них выбрать для разрабатываемой
системы? Какая элементная база позволит реализовать его аппаратно? Каковы
особенности применения данного интерфейса? Дать ответ на эти вопросы предстоит в
этом занятии школы.
При выборе протокола передачи данных следует обращать
внимание на несколько основных параметров. Это скорость передачи данных,
расстояние между источником и приемником данных, заранее заданные уровни
сигналов, совместимость, вид интерфейса (параллельный или последовательный). В
табл. 1 приведена краткая характеристика основных интерфейсов и данные об
основных производителях ИС, их поддерживающих. Разумеется, последний столбец
отражает лишь малую толику существующих решений - в тех случаях, когда
производителей слишком много, в таблице скромно указано семейство ИС.
Таблица 1. Интерфейсы передачи данных
| Тип интерфейса | Скорость передачи данных по одной линии, Мбит/с | Расстояние между источником и приемником данных, м | Стандарт | Производители элементной базы, поддерживающие интерфейс или семейства ИС |
| Последовательный | 25/50 | 1,5 | IEEE1394 - 1995 | |
| 100-400 | 4,5 | IEEE1394-1995/p1394.a | Texas Instruments, Intel и др. | |
| 12 | 5 | USB2.0 | Texas Instruments, Intel и др. | |
| 35 | 10 (1200) | TIA/EIA485(RS-485)(ISO8482) | ||
| 200 | 0,5 | LVDM (в разработке) | LVDM | |
| 10 | 10 (1200) | TIA/EIA422(RS-422)(ITU-TV.11) | Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др. | |
| 200/100 | 0,5/10 | TIA/EIA644(LVDS)(в разработке) | LVDS | |
| 512 Кбит/с | 20 | TIA/EIA232(RS-232)(ITU-TV.28) | Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др. | |
| Параллельно-последовательный, последовательно-параллельный | 455 | До 10 | TIA/EIA644 (LVDS) | Texas Instruments и др. |
| 1,25 Гбит/с | До 10 | IEEE P802.3z | Texas Instruments и др. | |
| 2,5 Гбит/с | До 10 | IEEE P802.3z | Texas Instruments и др. | |
| 35 | 10 (1200) | TIA/EIA485 (RS-485)(ISO8482) | Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др. | |
| 40/20 | 12/25 | SCSI | Многие производители | |
| 40 | 12 | LVD-SCSI | Многие производители | |
| 200/100 | 0,5/10 | LVDM (в разработке) | LVDM | |
| 33/66 | 0,2 | Compact PCI | ||
| 33/66 | 0,2 | PCI | TI, PLX, разработчики прошивок для ПЛИС | |
| Параллельный | Тактовая частота до 4 МГц | 10 | IEEE Std1284-1994 | AC1284, LVC161284LV161284 |
| Тактовая частота до 20 МГц | 0,5 | CMOS, JESD20, TTL, IEEE1014-1987 | AC, AHC, ABT, HC, HCT и др. | |
| Тактовая частота до 33 МГц | 0,5 | LVTTL (JED8-A), IEEE1014-1987 | LVTH. ALVT | |
| Тактовая частота до 40 МГц | 0,5 | VME64 StandardANSI/VITA1-1991 | ABTE | |
| Тактовая частота до 60 МГц | 0,5 | IEEE Std1194.1-1991 | BTL/FB+ | |
| Тактовая частота до 60 МГц | 0,5 | JESD8-3 | GTL/GTL+ | |
| Тактовая частота до 100 МГц | 0,5 | JESD8-3 | GTLP | |
| Тактовая частота до 200 МГц | 0,1 | EIA.JESD8-3,EIA/JESD8-9 | SSTL |
По способу организации передачи данных различают
однопроводные (single-ended) и дифференциальные (differential) интерфейсы. На
рис. 2 приведена обобщенная схема однопроводного интерфейса При однопроводной
передаче данных используется одна сигнальная линия, и ее логический уровень
определяется относительно земли. Для простых медленных интерфейсов допускается
использование общей земли. В более совершенных интерфейсах каждый сигнальный
провод имеет свою землю, и оба провода, как правило, объединяются в витую пару.
Преимуществом однопроводных систем является простота и дешевизна реализации.
Поскольку каждая линия передачи данных требует только одного сигнального
провода, они удобны для передачи параллельных данных на небольшое расстояние.
Примером может служить привычный параллельный интерфейс принтера. Другой пример
- последовательный интерфейс RS-232. Как видим, однопроводные интерфейсы часто
применяются в тех случаях, когда решающим фактором является стоимость
реализации.
Рис. 2. Однопроводный интерфейс
Основным недостатком однопроводных систем является их
низкая помехоустойчивость. Из-за наводок на общий провод возможен сдвиг уровней
сигналов, приводящий к ошибкам. При передаче на расстояния порядка нескольких
метров начинает оказывать влияние индуктивность и емкость проводов.
Преодолеть указанные недостатки удается в
дифференциальных системах. На рис. 3 приведена принципиальная схема реализации
дифференциальной передачи данных.
Рис. 3. Дифференциальный интерфейс
Для балансной дифференциальной передачи данных
используется пара проводов. На приемном конце линии вычисляется разность между
сигналами. Заметим, что такой способ передачи данных пригоден не только для
цифровых, но и для аналоговых линий. Ясно, что при дифференциальной передаче
удается в значительной мере подавить синфазную помеху. Отсюда следует основное
достоинство дифференциальных протоколов - высокая помехоустойчивость. Недаром
один из самых распространенных протоколов в промышленных компьютерах - RS-485
построен по дифференциальной схеме.
Недостатком дифференциальных схем является их
относительно высокая стоимость, а также сложности при выполнении парных
согласованных каскадов передатчиков и приемников.
Рассмотрим физические параметры интерфейсов. В
литературе принято следующее обозначение уровней.
- VIH - входное напряжение высокого уровня (логической единицы);
- VIL - входное напряжение низкого уровня (логического нуля);
- VOH - выходное напряжение высокого уровня (логической единицы);
- VOL - выходное напряжение низкого уровня (логического нуля).
На рис. 4 приведены логические уровни для однопроводных
интерфейсов, а на рис. 5 - для дифференциальных.
Рис. 4. Уровни сигналов в однопроводных интерфейсах
Интерфейс TIA/EIA
- 644 (LVDS - Low voltage
differential signaling), используется в скоростных системах передачи данных.
Интерфейс LVDS использует дифференциальную передачу данных с довольно низкими
уровнями сигналов. Разность сигналов составляет 300 мВ, линии нагружаются
сопротивлением 100 Ом. Выходной ток передатчика составляет от 2,47 до 4,54 мА.
Интерфейс TIA/EIA - 644 обладает лучшими характеристиками потребления по
сравнению с TIA/EIA - 422 и может служить его заменой в новых разработках.
Максимальная скорость передачи данных составляет 655 Мбит/с. Достоинство данного
интерфейса - преемственность ИС приемопередатчиков по разводке с драйверами
хорошо известных и применяемых интерфейсов RS-422 и RS-485. Данный подход
позволяет использовать новые интерфейсы в уже разработанных платах , что
облегчает переход на новую элементную базу.
Интерфейс LVDS
поддерживают многие современные
ПЛИС, такие как APEX фирмы ALTERA, Virtex фирмы Xilinx и ряд других. Типичными
представителями драйверов этого интерфейса являются ИС SN65LVDS31/32,
SN65LVDS179 фирмы Texas Instruments.
По электрическим свойствам к интерфейсу LVDS примыкает
интерфейс LVDM
. Этот протокол поддерживают ИС SN65LVDM176, SN65LVDM050.
Рис. 5. Уровни сигналов в двухпроводных интерфейсах
При проектировании однопроводных интерфейсов одной из
центральных проблем является сопряжение различных устройств с объединительной
или кросс-платой (backplane systems), особенно если требуется «горячая замена»
узлов. Как правило, на объединительной плате приняты единые уровни сигналов, и
задача разработчиков периферийных плат состоит в правильном выборе средств
сопряжения. Следует заметить, что за долгую историю ТТЛ-уровни стали стандартом
де-факто для объединительных плат и внутрифирменных (или внутриведомственных)
интерфейсов. Поэтому при развитии существующих систем и применении новой
элементной базы возникает необходимость в сопряжении новых плат с общей шиной.
Для этих целей существует целый набор решений.
Как известно, классические ТТЛ и КМОП семейства ИС
обеспечивают ток нагрузки до 24 мА при минимальном импедансе линии 50 Ом. С
появлением БиКМОП технологии стало возможным достигнуть значения выходного тока
–32/ 64 мА и работы на линию с импедансом 25 Ом. Для этих целей приспособлено
семейство ИС SN74ABT25xxx. Данные микросхемы могут быть также использованы в
системах так называемой «горячей замены» модулей, съемные модули могут
подключаться или отключаться по ходу работы прибора.
При проектировании подключаемых модулей необходимо
выполнить несколько требований, которые, во-первых, предупредят поломку модуля
при подключении к работающей системе и, во-вторых, не приведут к сбоям в работе
системы. Рассмотрим их.
Интерфейс между подключаемым и основным модулями состоит
из шин питания, земли и сигнальных шин. Модель микросхемы, подключаемой к
системе, показана на рис. 6.
Рис. 6. Диоды на входе и выходе ИС
Защита входов и выходов микросхем осуществляется с
использованием диодных ключей.
Для защиты выходов используются диоды Д3 и Д4. Диод D3
используется в микросхемах КМОП для защиты от электростатических разрядов. Диод
D4 защищает от напряжения на выходе, меньшего уровня логического нуля.
При разработке подключаемых модулей лучше использовать
микросхемы БиКМОП, поскольку они выгодно отличаются от прочих тем, что имеют
схему (рис. 7), которая держит выход микросхемы в состоянии высокого импеданса в
момент включения микросхемы. Эта цепь следит за напряжением питания и состоит из
двух диодов D1 и D2 и транзистора Q1, на базу которого подается напряжение. При
напряжении питания, которое меньше установленного (например, для серии ABT/BCT
VCOFF~2,5 В, для LVT VCOFF~1,8 В), выход этой цепи переходит в состояние
логической единицы. При этом он отключает сигнал на выходе микросхемы,
независимо от входного. Это свойство микросхем БиКМОП гарантирует, что поведение
схемы предсказуемо даже при очень низком напряжении питания.
Рис. 7. Цепь, отключающая выход при пониженном напряжении питания в микросхемах БиКМОП
При горячем подключении модуля поведение системы будет
предсказуемо, если соблюдаются по крайней мере два условия:
- на разъеме есть один или несколько контактов земли, выдвинутых вперед относительно других контактов;
- интерфейс состоит только из биполярных или БиКМОП микросхем с тристабильными выходами или с выходами с открытым коллектором.
Проблема конфликтов на шине стоит особенно остро, когда
встречаются выходные сигналы разных уровней - низкого и высокого. На рис. 8
показан этот процесс. Ток, который возникает в результате конфликта, достигает
120 мА, и в этой борьбе выживает та микросхема, которая имеет на выходе низкий
уровень. Микросхема с высоким уровнем на выходе работает в режиме короткого
замыкания и сгорает.
Рис. 8. Ток короткого замыкания при конфликтах на шине
Для того чтобы избежать такого конфликта, нужна
дополнительная схема, которая во время включения питания держала бы выходы в
состоянии высокого импеданса.
Основным элементом этой схемы может быть ИС TLC7705.
Такие микросхемы используются для генерации сигнала RESET при включении прибора.
В нашем случае выводы этой микросхемы подключаются ко входам разрешения шинных
формирователей. Во время инициализации или включения модуля сигнал RESET
переводит выходы микросхем в третье состояние. При создании таких схем удобно
использовать микросхемы, которые имеют два входа ENABLE (например, SN74ABT541).
Это решение показано на рис. 9.
Рис. 9. Мониторинг конфликтов на шине
Существуют шинные формирователи, которые уже содержат в
себе все необходимые для защиты от шинных конфликтов компоненты - коммутаторы и
резисторы. Эти микросхемы выпускаются в двух сериях: ETL (Enhanced Transceiver
Logic, серия SN74ABTE) и BTL (Backplane Transceiver Logic, серия SN74FB).
Микросхемы серии ETL имеют дополнительный вывод для
подключения напряжения зарядки выходной емкости микросхемы, обычно называемый
VCCBIAS. Он питает схему, заряжающую конденсатор во время включения модуля.
На рис. 10 показана схема интерфейса с использованием
микросхемы ETL. В момент включения модуля после подсоединения контактов VCC1 и
GND на микросхеме U3 появляется напряжение VCCBIAS. Одновременно включаются
микросхемы U2 и U1 и сигналом OE отключают выходы шинного формирователя от шины.
Рис. 10. Схема интерфейса с использованием микросхем серии ETL
Броски напряжения в цепях питания системы при
подключении модуля появляются точно так же, как броски в сигнальных цепях. При
этом величина заряжаемой емкости колеблется от десятков до сотен микрофарад и
зависит от емкости блокирующих конденсаторов на подключаемой плате. Один из
путей к ограничению скачка напряжения - включение в цепь питания коммутатора,
который медленно включается. На рис. 11 предложена схема, в которой роль
коммутатора играет P-МОП транзистор. RC-цепочка обеспечивает медленное изменение
сигнала на базе транзистора. Диод D быстро разряжает конденсатор после того, как
модуль был выключен.
Рис. 11. Схема медленного включения модуля с использованием транзистора
Предполагается, что транзистор имеет малое сопротивление
во включенном состоянии. При работе рассеиваемая на транзисторе мощность
невелика из-за небольшого падения напряжения. При необходимости можно
параллельно включать несколько транзисторов.
В подключаемых модулях удобно использовать собственные
источники питания.
На рис. 12 приведена схема источника питания, который
получает из системы от десяти до сорока вольт и преобразует их импульсным
способом в 5 В. Схема не дает броска напряжения при включении.
Рис. 12. Децентрализованный источник питания
Литература
- Стешенко В. Б. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов. // Компоненты и технологии, № , , 2000 г.
- Стешенко В. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС Chip News,1999, № 8–10, 2000, №1, 3–5 .
- Стешенко В. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. М.: «Додека», 2000.
- Alicke F., Bartholdy F., Blozis S., Dehemelt F., Forstner P., Holland N., Huchzermier J. Comparing Bus Solutions, Application Report, Texas Instruments, SLLA067, March 2000.
- Стешенко В. ACCEL EDA: технология проектирования печатных плат. М.: «Нолидж», 2000, 512 с., ил.
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.