«А.О. Ключев, Д.Р. Ковязина, Е.В. Петров, А.Е. Платунов ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ Учебное пособие Санкт-Петербург 2010 Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Петров Е.В., Платунов А.Е. Интерфейсы периферийных устройств. – ...»

Для штырьковых разъемов ключом является выступ на корпусе, но этот ключ сработает, только если ответная часть имеет пластмассовый бандаж с прорезью.

Ключом может являться и отсутствующий штырек – на разъеме для него не оставляют отверстия. На ленточном кабеле крайний провод, соединяемы с контактом «1», маркируют цветной краской (например, красной). На печатной плате штырек «1» обычно имеет отличающуюся от формы других (квадратную) форму контактной площадки. Такого типа разъем используется в учебном лабораторном стенде SDK-1.1 для подключения по интерфейсу RS-232.

3.9.1.4 Формат последовательной передачи данных Поскольку данные обычно представлены на шине микропроцессора в параллельной форме (байтами, словами), их последовательный ввод-вывод оказывается несколько сложным. Для последовательного ввода потребуется средства преобразования последовательных входных данных в параллельные данные, которые можно поместить на шину. С другой стороны, для последовательного вывода необходимы средства преобразования параллельных данных, представленных на шине, в последовательные выходные данные. В первом случае преобразование осуществляется регистром сдвига с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO), а во втором – регистром сдвига с параллельным входом и последовательным выходом (PISO).

Оба регистра обычно входят в состав приемопередатчика USART.

Рис. 93. Так выглядит на экране осциллографа последовательная передача данных по интерфейсу RS-232.

Последовательные данные передаются в синхронном или асинхронном режимах. В синхронном режиме все передачи осуществляются под управлением общего сигнала синхронизации, который должен присутствовать на обоих концах линии связи. Асинхронная передача подразумевает передачу данных пакетами; каждый пакет содержит необходимую информацию, требующуюся для декодирования содержащихся в нем данных. Конечно, второй режим сложнее, но у него есть серьезное преимущество: не нужен отдельный сигнал синхронизации.

В асинхронном режиме посылке очередного байта информации предшествует специальный старт-бит, сигнализирующий о начале передачи (обычно логический «0»). Затем следуют биты данных (их обычно 8), за которыми может следовать дополнительный бит (его наличие зависит от режима передачи, обычно этот бит выполняет функцию контроля четности).

Завершается посылка стоп-битом (логическая «1»), длина которого (длительность единичного состояния линии) может соответствовать длительности передачи 1, 1.5 («полтора стоп-бита») или 2 бита (см. рис. выше).

Стоп-бит гарантирует некоторую выдержку между соседними посылками, при этом пауза между ними может быть сколь угодно долгой (без учета понятия «тайм-аута»).

Контроль четности Контроль четности может быть использован для обнаружения ошибок при передаче данных. При использовании контроля четности посылаются сообщения, подсчитывающие число единиц в группе бит данных. В зависимости от результата устанавливается бит четности. Приемное устройство также подсчитывает число единиц и затем сверяет бит четности. Для обеспечения контроля четности компьютер и устройство должны одинаково производить подсчет бита четности, т.е. определиться устанавливать бит при четном (even) или нечетном (odd) числе единиц. При контроле на четность биты данных и бит четности всегда должны содержать четное число единиц. В противоположном случае выполняется контрол на нечетность. Часто в драйверах UART RS-232 реализуются еще две опции на четность: Mark и Space.

Эти опции не влияют на возможность контроля ошибок: Mark означает, что устройство всегда устанавливает бит четности в 1, а Space – всегда в 0.

Обнаружение ошибок Проверка на четность – это простейший способ обнаружения ошибок. Он может определить возникновение ошибок в одном бите, но при наличии ошибок в двух битах уже не заметит ошибок. Также такой контроль не отвечает на вопрос, какой бит ошибочный. Другой механизм проверки включает в себя старт- и стоп-биты, циклические проверки на избыточность, которые часто применяются в соединениях Modbus.

Рассмотрим пример. В этом примере показана структура передаваемых данных со синхронизирующим тактовым сигналом. В этом примере используется 8 бит данных, бит четности и стоп-бит. Такая структура также обозначается 8Е1.

Рис. 94. Фомат передачи данных по интерфейсу RS-232.

Примечание: тактовый сигнал используется для асинхронной передачи (это внутренний сигнал UART).

Старт-бит Сигнальная линия может находиться в двух состояниях: включена и выключена. Линия в состоянии ожидания всегда включена. Когда устройство или компьютер хотят передать данные, они переводят линию в состояние выключено – это установка старт-бита. Биты сразу после старт-бита являются битами данных.

Стоп-бит Стоп-бит позволяет устройству или компьютеру произвести синхронизацию при возникновении сбоев. Например, помеха на линии скрыла старт-бит. Период между старт- и стоп-битами постоянен согласно значению скорости обмена, числу бит данных и бита четности. Стоп-бит всегда включен.

Если приемник определяет выключенное состояние, когда должен присутствовать стоп-бит, фиксируется появление ошибки. Стоп-бит не просто один бит минимального интервала времени в конце каждой передачи данных.

На компьютерах обычно он эквивалентен 1 или 2 битам, и это должно учитываться в программе драйвера. Хотя, 1 стоп-бит наиболее общий, выбор бит в худшем случае немного замедлит передачу сообщения.

Есть возможность установки значения стоп бита равным 1,5. Это используется при передаче менее 7 битов данных. В этом случае не могут быть переданы символы ASCII, и поэтому значение 1,5 используется редко.

3.9.1.5 Работа с последовательным каналом Простым примером асинхронного обмена с программной проверкой готовности может служить работа с контроллером последовательного канала (UART) «по опросу»: перед тем, как прочитать данные из порта данных контроллера, необходимо проверить, являются ли эти данные результатом приема посылки и не забирались ли они программой ранее. Проще говоря, необходимо проверить данные на достоверность. Перед тем же, как записывать данные для передачи в буфер контроллера, необходимо убедиться, что в буфере есть место, т.е. что запись новых данных в буфер не приведет к уничтожению ранее помещенных и еще не переданных данных.

При организации асинхронного обмена по прерыванию при приеме байта с линии происходит прерывание и передача управления соответствующей программе-обработчику, который читает принятый байт из порта данных контроллера UART и, к примеру, помещает его в специальный буфер-очередь принятых байт, доступный прерванной программе. По завершении процедуры обработки прерывания управление передается в прерванную программу, которая при желании (в любом удобном месте алгоритма) может забрать принятый байт. С другой стороны, при завершении отправки контроллером очередного байта также происходит прерывание, сигнализирующее о том, что байт послан и в буфер UART можно поместить новые данные. Обработчик прерывания при наличии данных в исходящей очереди записывает очередной байт в порт данных контроллера и запускает посылку. Основная же программа может, не заботясь о готовности или неготовности контроллера, принять очередной байт, может спокойно помещать данные в исходящий буфер, а всю работу с устройством выполнит обработчик прерываний, когда оно (устройство) будет готово.

3.9.2 Интерфейс SPI SPI (Serial Peripheral Interface) – последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырхпроводным (four-wire) интерфейсом.

Интерфейс SPI, наряду с I2C, относится к самым широко используемым интерфейсам для соединения микросхем. Изначально он был придуман компанией Motorola, а в настоящее время используется в продукции многих производителей [71]. Шина SPI организована по принципу «ведущийподчиненный». В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSPконтроллер или специализированная интегральная схема. В роли подчиненных устройств выступают различного рода микросхемы, в том числе запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, температурные датчики, сенсорные экраны, цифровые потенциометры, коммуникационные контроллеры (Ethernet, USB, CAN, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11), ЖКИ, мультимедийные карты (SD, MMC) и др.

Кроме того, интерфейс SPI является основой для построения ряда специализированных интерфейсов, в том числе, интерфейса JTAG и интерфейсов карт Flash-памяти (мультимедийные карты SD и MMC).

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода-вывода битового потока, которые 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. 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.

Частота работы интерфейса SPI составляет 1-70МГц.

3.9.2.1 Типы подключения к шине SPI Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала (см. таблицу).

Основное Альтернативное Описание Основное Альтернативное Описание обозначение обозначение обозначение обозначение

MOSI MOSI DI, SDI, DIN

Output Slave Input) Slave Output)

SCLK DCLOCK, CLK, SCLK DCLOCK, CLK,

Select) Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рис. ниже. 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 интегральная схема (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, так как вход выбора микросхемы служит для перевода ИС в е исходное состояние и иногда инициирует вывод первого бита данных.

При необходимости подключения к шине SPI нескольких микросхем используется либо независимое (параллельное) подключение, либо каскадное (последовательное). Независимое подключение более распространенное, так как достигается при использовании любых SPI-совместимых микросхем. Здесь все сигналы, кроме выбора микросхем, соединены параллельно, а ведущий шины переводом того или иного сигнала SS в низкое состояние задает, с какой подчиненной ИС он будет обмениваться данными. Главным недостатком такого подключения является необходимость в дополнительных линиях для адресации подчиненных микросхем (общее число линий связи равно 3+n, где n – количество подчиненных микросхем).

Каскадное включение избавлено от этого недостатка, так как здесь из нескольких микросхем образуется один большой сдвиговый регистр. Для этого выход передачи данных одной ИС соединяется со входом приема данных другой, как показано на рисунке ниже. Входы выбора микросхем здесь соединены параллельно и, таким образом, общее число линий связи сохранено равным 4. Однако использование каскадного подключения возможно только в том случае, если его поддержка указана в документации на используемые микросхемы. Чтобы выяснить это, важно знать, что такое подключение поанглийски называется «daisy-chaining» (по-русски – «дейзи-цепочка»).

3.9.2.2 Режимы работы шины SPI Во время каждого цикла обмена по SPI происходит полнодуплексная передача данных:

Ведущий выставляет бит данных на линию MOSI; ведомый читает его с Ведомый выставляет бит на линию MISO; ведущий читает его с этой же Не во всех случаях передачи данных все эти операции имеют значение, но они все равно выполняются.

Протокол передачи по интерфейсу SPI предельно прост и, по сути, идентичен логике работы сдвигового регистра, которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Получается, что сдвиговые регистры ведущего и ведомого устройств образуют кольцо. Данные обычно выдвигаются на линию старшим битом вперед. После передачи 8 тактов по линии синхронизации сдвиговые регистры ведущего и ведомого полностью обменяются данными (байтами). Далее полученные данные, если они являются значимыми, сохраняются в памяти этих устройств. Если есть еще байты для передачи, цикл повторяется. Цикл обмена данными по SPI может занимать сколько угодно тактов и начинается/заканчивается выбором/отменой выбора подчиненного устройства.

В один и тот же момент времени ведущий может обмениваться данными только с одним ведомым.

Кроме установки скорости обмена ведущий должен определить, по каким фронтам сигнала синхронизации будет выполняться чтение, а по каким – запись данных. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надежного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами:

CPOL (полярность синхронизации) – исходный уровень сигнала синхронизации. Если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний – падающий). Если CPOL=1, – высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний – нарастающий).

CPHA (фаза синхронизации). От этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных. Если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, – установка данных. Если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка – по заднему.

Информация по режимам SPI обобщена в таблице ниже.

CPOL CPHA Временная диаграмма первого цикла синхронизации 3.9.2.3 Достоинства шины SPI 1. Скорость передачи выше, чем у I2C, SMBus. Предельная простота протокола передачи на физическом уровне обуславливает высокую надежность и быстродействие передачи. Предельное быстродействие шины SPI измеряется десятками мегагерц и, поэтому, она идеальна для потоковой передачи больших объемов данных и широко используется в высокоскоростных ЦАП/АЦП, драйверах светодиодных дисплеев и микросхемах памяти.

2. Протяженность SPI сравнима с интерфейсами RS-232, RS-485, CAN.

3. Полнодуплексный обмен.

4. Протокол передачи битовый, а значит, гибкий для реализации и назначения:

Не ограничен передачей 8-битовых слов (можно и 12-битовые, и 16битовые).

Можно выбирать размер, содержимое и назначение пакетов передачи, т.е. определяется прикладной задачей, а не ограничивается стандартом (в отличие от I2C).

5. Очень простая аппаратная реализация интерфейса:

Пониженное энергопотребление по сравнению с I2C (никаких pullupрегистров).

Никаких механизмов арбитража (разрешения конфликтных ситуаций) и соответствующих им состояний отказа.

Ведомые устройства используют сигналы тактирования ведущего и не нуждаются в точных источниках тактирования.

Ведомый не нуждается в уникальном адресе по сравнению с I2C.

Все линии шины SPI являются однонаправленными, что существенно упрощает решение задачи преобразования уровней и гальванической изоляции микросхем.

3.9.2.4 Недостатки шины SPI 1. Больше линий, чем в I2C.

2. Нет адресации в протоколе обмена, для каждого нового ведомого устройства требуется отдельная сигнальная линия выбора (SS).

3. Никакой аппаратной реализации подтверждения наличия ведомого устройства, т.е. ведущий может «разговаривать» с пустотой и не знать 4. Может быть только один мастер (нет режима мультимастера, в отличие 5. Никакой аппаратной поддержки управления потоком данных.

6. Как такового стандарта не существует, например, как у I2C. Протокол I2C является более стандартизованным, поэтому, пользователь I2Cмикросхем более защищен от проблем несовместимости выбранных компонентов.

3.9.3 Интерфейс Centronics Порт параллельного интерфейса был введен в персональный компьютер для подключения принтера – отсюда и пошло его название LPT-порт (Line PrinTer – построчный принтер). Традиционный, он же стандартный, LPT-порт называется стандартным параллельным портом (Standard Parallel Port, SPP), или SPP-портом, и является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics. Название и назначение сигналов разъема порта соответствуют интерфейсу Centronics. SPP-порт ориентирован на вывод данных, хотя с некоторыми ограничениями позволяет и вводить данные.

Скорость передачи данных может варьироваться и достигать 1,2 Мбит/с.

Существуют различные модификации LPT-порта: двунаправленный, ЕРР, ЕСР и др., расширяющие его функциональные возможности, повышающие производительность и снижающие нагрузку на процессор. Поначалу они являлись фирменными решениями отдельных производителей, позднее был принят стандарт IEEE 1284.

коммуникационные устройства и устройства хранения данных, а также электронные ключи, программаторы и прочие устройства. Иногда параллельный интерфейс используют для связи между двумя компьютерами.

Таблица 8. Упрощнная таблица сигналов интерфейса Centronics.

DB-25 IEEE Centronics С внешней стороны порт имеет 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов, выведенные на разъем-розетку DB-25S. В LPT-порте используются логические уровни ТТЛ, что ограничивает допустимую длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ-интерфейса. Гальваническая развязка отсутствует, схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Из-за этого порт является уязвимым местом компьютера, страдающим при нарушении правил подключения и заземления устройств.

Поскольку порт обычно располагается на системной плате, в случае его «выжигания» зачастую выходит из строя и его ближайшее окружение вплоть до выгорания всей системной платы.

Адаптер SPP-порта содержит три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода-вывода, начиная с базового адреса порта BASE (3BCh, 378h или 278h).

Data Register (DR) – регистр данных, адрес=ВА5Е. Данные, записанные в этот регистр, выводятся на выходные линии Data[7:0]. Данные, считанные из этого регистра, в зависимости от схемотехники адаптера соответствуют либо ранее записанным данным, либо сигналам на тех же линиях, что не всегда одно и то же.

Status Register (SR) – регистр состояния (только чтение), адрес=ВА5Е+1.

Регистр отображает 5-битный порт ввода сигналов состояния принтера и флаг прерывания: состояние готовности принтера, сигнал о конце бумаги в принтере, сигнал о включении принтера, сигнал о любой ошибке принтера и др.

Control Register (СR) – регистр управления, адрес=ВА5Е+2, допускает запись и чтение. Регистр связан с 4-битным портом вывода управляющих сигналов, для которых возможно и чтение; выходной буфер обычно имеет тип «открытый коллектор». При помощи этого регистра можно подавать такие сигналы, как сигнал аппаратного сброса принтера, сигнал на автоматический перевод строки по приему байта и возврата каретки (CR), сигнал стробирования выходных данных и др.

Перечислим шаги процедуры вывода байта по интерфейсу Centronics с указанием требуемого количества шинных операций процессора:

1. Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).

2. Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#).

3. По получению готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается.

Обычно, чтобы переключить только один бит (строб), регистр управления предварительно считывается, что к двум циклам IOWR# добавляет еще один цикл IORD#.

Видно, что для вывода одного байта требуется 4-5 операций ввода-вывода с регистрами порта (в лучшем случае, когда готовность обнаружена по первому чтению регистра состояния). Отсюда вытекает главный недостаток вывода через стандартный порт – невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт удается разогнать до скоростей 100-150 Кбайт/с при полной загрузке процессора, что недостаточно для печати на лазерном принтере. Другой недостаток функциональный – сложность использования в качестве порта ввода.

Все перечисленные недостатки помог решить стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году. Он определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

Режим совместимости (Compatibility Mode) – однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует SPP-порту.

Полубайтный режим (Nibble Mode) – ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена подходит для любых адаптеров, поскольку задействует только возможности стандартного порта.

Байтный режим (Byte Mode) – ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или PS/2 Туре 1).

Режим ЕРР (ЕРР Mode) – двунаправленный обмен данными (ЕРР означает Enhanced Parallel Port). Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту.

Эффективен при работе с устройствами внешней памяти и адаптерами локальных сетей.

Режим ЕСР (ЕСР Mode) – двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE (Run Length Encoding) и использования FIFO-буферов и DMA (ЕСР означает Extended Capability Port). Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно. Эффективен для принтеров и сканеров (здесь может использоваться сжатие) и различных устройств блочного обмена.

В настоящее время стандарт IEEE 1284 не развивается. Окончательная стандартизация параллельного порта совпала с началом внедрения интерфейса USB, который позволяет подключать также и комбинированные аппараты (сканер-принтер-копир) и обеспечивает более высокую скорость печати и надежную работу принтера. Также, альтернативой параллельному интерфейсу является сетевой интерфейс Ethernet.

Протокол EPP Enhanced Parallel Port – улучшенный параллельный порт, который был разработан компаниями Intel, Xircom и Zenith Data Systems задолго до принятия стандарта IEEE 1284. Этот протокол предназначен для повышения производительности обмена по параллельному порту, впервые был реализован в чипсете Intel 386SL (микросхема 82360) и впоследствии принят множеством компаний как дополнительный протокол параллельного порта. Версии протокола, реализованные до принятия IEEE 1284, отличаются от нынешнего стандарта (см. ниже). Протокол ЕРР обеспечивает четыре типа циклов обмена:

запись данных, чтение данных, запись адреса, чтение адреса.

Назначение циклов записи и чтения данных очевидно. Адресные циклы используются для передачи адресной, канальной и управляющей информации.

Циклы обмена данными отличаются от адресных циклов применяемыми стробирующими сигналами.

Рис. 101. Обратная передача и прим данных по протоколу ECP.

Протокол ЕСР Extended Capability Port – порт с расширенными возможностями, который был предложен Hewlett Packard и Microsoft для связи с ПУ типа принтеров или сканеров. Как и ЕРР, данный протокол обеспечивает высокопроизводительный двунаправленный обмен данными хоста с ПУ. Протокол ЕСР в обоих направлениях обеспечивает два типа циклов:

Циклы записи и чтения данных.

Командные циклы записи и чтения.

Командные циклы подразделяются на два типа: передача канальных адресов и передача счетчика RLC (Run-Length Count).

В отличие от ЕРР вместе с протоколом ЕСР сразу появился стандарт на программную (регистровую) модель его адаптера, изложенный в документе "The IEEE 1284 Extended Capabilities Port Protocol and ISA Interface Standard" компании Microsoft. Этот документ определяет свойства протокола, не заданные стандартом IEEE 1284:

Компрессия данных хост-адаптером по методу RLE.

Буферизация FIFO для прямого и обратного каналов.

Применение DMA и программного ввода-вывода.

3.9.4 Интерфейс SATA SATA (Serial ATA) – последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA) [37].

Параллельный интерфейс АТА исчерпал свои ресурсы пропускной способности, достигшей 100 МБ/с в режиме UltraDM A Mode 5. Для дальнейшего повышения пропускной способности интерфейса (но, конечно же, не самих устройств хранения, которые имеют гораздо меньшие внутренние скорости обмена с носителем) было принято решение о переходе на последовательный интерфейс. Цель перехода – улучшение и удешевление кабелей и коннекторов, улучшение условий охлаждения устройств внутри системного блока (избавление от широкого шлейфа), обеспечение возможности разработки компактных устройств, облегчение конфигурирования устройств пользователем. Попутно расширяется адресация блоков (предельная емкость адресации АТА – 137 Гбайт). Сейчас уже ведутся работы над новой спецификацией Serial ATA II с большей пропускной способностью и специальными средствами для поддержки сетевых устройств хранения.

Приведенная ниже информация относится к версии 1.0.

Интерфейс Serial ATA является хост-центрическим, в нем определяется только взаимодействие хоста с каждым из подключенных устройств, а взаимодействие между ведущим и ведомым устройствами, свойственное традиционному интерфейсу АТА, исключается. Программно хост видит множество устройств, подключенных к контроллеру, как набор каналов АТА, у каждого из которых имеется единственное ведущее устройство. Имеется возможность эмуляции пар устройств (ведущее–ведомое) на одном канале, если такая необходимость возникнет. Программное взаимодействие с устройствами Serial ATA практически совпадает с прежним, набор команд соответствует ATA/ATAPI-5. В то же время аппаратная реализация хост-адаптера Serial ATA сильно отличается от примитивного (в исходном варианте) интерфейса АТА. В параллельном интерфейсе АТА хост-адаптер был простым средством, обеспечивающим программное обращение к регистрам, расположенным в самих подключенных устройствах. В Serial ATA ситуация иная: хост-адаптер имеет блоки так называемых «теневых» регистров (Shadow Registers), совпадающих по назначению с обычными регистрами устройств АТА. Каждому подключенному устройству соответствует свой набор регистров. Обращения к этим теневым регистрам вызывают процессы взаимодействия хост-адаптера с подключенными устройствами и исполнение команд.

В стандарте рассматривается многоуровневая модель взаимодействия хоста и устройства, где прикладным уровнем является обмен командами, информацией о состоянии и хранимыми данными. На физическом уровне для передачи информации между контроллером и устройством используются две пары проводов. Данные передаются кадрами, транспортный уровень формирует и проверяет корректность информационных структур кадров (Frame Information Structure, FIS). Для облегчения высокоскоростной передачи на канальном уровне данные кодируются по схеме 8В/10В (8 бит данных кодируются 10битным символом) и скремблируются, после чего по физической линии передаются по простейшему методу NRZ (уровень сигнала соответствует передаваемому биту). Между канальным и прикладным уровнем имеется транспортный уровень, отвечающий за доставку кадров. На каждом уровне имеются свои средства контроля достоверности и целостности.

В первом поколении Serial ATA данные по кабелю передаются со скоростью 1500 Мбит/с, что с учетом кодирования 8В/10В обеспечивает скорость 150 МБ/с (без учета накладных расходов протоколов верхних уровней). В дальнейшем планируется повышать скорость передачи, и в интерфейсе заложена возможность согласования скоростей обмена по каждому интерфейсу в соответствии с возможностями хоста и устройства, а также качеством связи. Хост-адаптер имеет средства управления соединениями, программно эти средства доступны через специальные регистры Serial ATA.

В стандарте предусматривается управление энергорежимом интерфейсов.

Каждый интерфейс кроме активного состояния может находиться в состояниях PARTIAL и SLUMBER с пониженным энергопотреблением, для выхода из которых требуется заметное время (10 мс).

Команды, требующие передачи данных, могут исполняться в различных режимах обмена. Обращение в режиме программно управляемого ввода-вывода и традиционный способ обмена по DMA (legacy DMA) выполняется аналогично привычному интерфейсу АТА. Однако внутренний протокол обмена между хост-адаптером и устройствами позволяет передавать между ними разноплановую информацию (структуры FIS определены не только для команд, состояния и собственно хранимых данных). В приложении D к спецификации описывается весьма своеобразный способ обмена по DMA, который предполагается основным (First-party DMA) для устройств Serial ATA. В традиционном контроллере DMA адаптера АТА для каждого канала имеется буфер, в который перед выполнением операции обмена загружают дескрипторы блоков памяти, участвующей в обмене. Теперь же предполагается, что адресная информация, относящаяся к оперативной памяти хост компьютера, будет доводиться до устройства хранения, подключенного к адаптеру Serial ATA. Эта информация из устройства хранения при исполнении команд обмена выгружается в контроллер DMA хост-адаптера и используется им для формирования адреса текущей передачи. Мотивы и полезность этого нововведения не совсем понятны; расплатой за некоторое упрощение хостадаптера (особенно многоканального) является усложнение протокола и расширение функций, выполняемых устройством хранения. Все-таки более привычно традиционное разделение функций, при котором задача устройств внешней памяти – хранить данные, не интересуясь тем, в каком месте оперативной памяти компьютера они должны находиться при операциях обмена.

3.9.4.1 Физический интерфейс Serial ATA Последовательный интерфейс АТА, как и его параллельный предшественник, предназначен для подключений устройств внутри компьютера. Длина кабелей не превышает 1 м, при этом все соединения радиальные, каждое устройство подключается к хост-адаптеру своим кабелем.

В стандарте предусматривается и непосредственное подключение устройств к разъемам кросс-платы с возможностью горячей замены. Стандарт определяет новый однорядный двухсегментный разъем с механическими ключами, препятствующими ошибочному подключению. Сигнальный сегмент имеет контактов (S1-S7), питающий – 15 (Р1-Р15); все контакты расположены в один ряд с шагом 1,27 мм. Назначение контактов приведено в таблице. Малые размеры разъема (полная длина около 36 мм) и малое количество цепей облегчают компоновку системных плат и карт расширения. Питающий сегмент может отсутствовать (устройство может получать питание и от обычного 4контактного разъема АТА). Вид разъемов приведен ниже. Для обеспечения горячего подключения контакты разъемов имеют разную длину, в первую очередь соединяются контакты «земли» Р4 и Р12, затем остальные «земли» и контакты предзаряда конденсаторов в цепях питания РЗ, Р7 и Р13 (для уменьшения броска потребляемого тока), после чего соединяются основные питающие контакты и сигнальные цепи.

Ключи и свободное пространство Таблица 10. Сравнительная таблица интерфейсов из семейства ATA.

eSATAp 3.10 Контроллерные сети 3.10.1Интерфейс RS- RS-485 (Recommended Standard 485, Electronics Industries Association 485, EIA-485) – стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному каналу связи.

Стандарт RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA – Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA – Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (Recommended Standard – Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил «RS» на «EIA/TIA» с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов. На сегодняшний день различные расширения стандарта RSохватывают широкое разнообразие приложений. Этот стандарт стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации.

В стандарте RS-485 для передачи и прима данных часто используется единственная витая пара проводов. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

RS-485 имеет следующие особенности:

Возможность объединения несимметричных и симметричных цепей.

Параметры качества сигнала, уровень искажений (%).

Методы доступа к линии связи.

Протокол обмена.

Аппаратную конфигурацию (среда обмена, кабель).

Типы соединителей, разъмов, колодок, нумерацию контактов.

Качество источника питания (стабилизация, пульсация, допуск).

Отражения в длинных линиях.

Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485:

32 примопередатчика при многоточечной конфигурации сети (на одном сегменте, максимальная длина линии в пределах одного сегмента сети Только один передатчик активный.

Максимальное количество узлов в сети — 250 с учтом магистральных усилителей.

Соответствие скорости обмена длине линии связи (зависимость экспоненциальная):

62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара).

375 кбит/с 300 м (одна витая пара).

2400 кбит/с 100 м (две витые пары).

Примечание: скорости обмена 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с оговорены стандартом RS-485. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранированные витые пары.

Тип примопередатчиков – дифференциальный, потенциальный.

Изменение входных и выходных напряжений на линиях A и B: Ua (Ub) от 7В до +12В (+7В).

Согласование и конфигурация линии связи 3.10.1. При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре, и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина этому – конечность скорости распространения электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс. Электрический сигнал имеет также свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Грубая аналогия – желоб, наполненный водой. Волна, созданная в одном конце, идет по желобу и, отразившись от стенки в конце, идет обратно, отражается опять и т.д., пока не затухнет. Для коротких линий и малых скоростей передачи этот процесс происходит так быстро, что остается незамеченным. Однако время реакции приемников десятки-сотни нс. В таком масштабе времени несколько десятков метров электрический сигнал проходит отнюдь не мгновенно. И если расстояние достаточно большое, фронт сигнала, отразившегося в конце линии и вернувшегося обратно, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то образом подавлять эффект отражения [27].

У любой линии связи есть такой параметр, как волновое сопротивление Zв.

Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от длины. Для обычно применяемых в линиях связи витых пар Zв=120 Ом. Если на удаленном конце линии между проводниками витой пары включить резистор с номиналом, равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна, дошедшая до «тупика», поглощается на таком резисторе. Отсюда его названия – согласующий резистор или «терминатор».

Большой минус согласования на резисторах – повышенное потребление тока от передатчика, ведь в линию включается низкоомная нагрузка. Поэтому рекомендуется включать передатчик только на время отправки посылки. Есть способы уменьшить потребление тока, например, посредством включения последовательно с согласующим резистором конденсатора для развязки по постоянному току. Однако такой способ имеет свои недостатки. Для коротких линий (несколько десятков метров) и низких скоростей (меньше 38400 бод) согласование можно вообще не делать.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Zв=120 Ом) включают согласующие резисторы Rt по 120 Ом (0,25 Вт). Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце линии [27].

3.10.1. Как уже упоминалось, приемники большинства микросхем RS-485 имеют пороговый диапазон распознавания сигнала на входах A-B - ±200мВ. Если |Uab| меньше порогового (около 0), то на выходе приемника RO могут быть произвольные логические уровни из-за несинфазной помехи. Такое может случиться либо при отсоединении приемника от линии, либо при отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень. Чтобы в этих ситуациях избежать выдачи ошибочных сигналов на приемник UART, необходимо на входах A-B гарантировать разность потенциалов Uab > +200мВ.

Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на выходе приемника логическую «1», поддерживая таким образом уровень стопового бита [27].

Добиться этого просто: прямой вход (А) следует подтянуть к питанию, а инверсный (B) к «земле».

Значения сопротивлений для резисторов защитного смещения (Rзс) нетрудно рассчитать по делителю. Необходимо обеспечить Uab > 200мВ.

Напряжение питания 5В. Сопротивление среднего плеча 120Ом/120Ом/12КОм, на каждый приемник примерно 57Ом (для 10 приемников). Таким образом, выходит примерно по 650Ом на каждый из двух Rзс. Для смещения с запасом сопротивление Rзс должно быть меньше 650Ом. Традиционно ставят 560Ом.

Обратите внимание: в расчете номинала Rзс учитывается нагрузка. Если на линии висит много приемников, то номинал Rзс должен быть меньше. В длинных линиях передачи необходимо также учитывать сопротивление витой пары, которое может «съедать» часть смещающей разности потенциалов для удаленных от места подтяжки устройств. Для длинной линии лучше ставить два комплекта подтягивающих резисторов в оба удаленных конца рядом с терминаторами.

Функция безотказности Многие производители приемопередатчиков заявляют о функции безотказности (failsafe) своих изделий, заключающейся во встроенном смещении. Следует различать два вида такой защиты [27]:

1. Безотказности в открытых цепях (Open circuit failsafe). В таких приемопередатчиках применяются встроенные подтягивающие резисторы. Эти резисторы, как правило, высокоомные, чтобы уменьшить потребление тока. Из-за этого необходимое смещение дифференциальных входов. В самом деле, если приемник отключен от линии или она не нагружена, тогда в среднем плече делителя остается только большое входное сопротивление, на котором и падает необходимая разность потенциалов. Однако если приемопередатчик нагрузить на линию с двумя согласующими резисторами по 120Ом, то в среднем плече делителя оказывается меньше 60Ом, на которых, по сравнению с высокоомными подтяжками, ничего существенного не падает. Поэтому если в нагруженной линии нет активных передатчиков, то встроенные резисторы не обеспечивают достаточное смещение. В этом случае остается необходимость устанавливать внешние резисторы защитного смещения, как это было описано выше.

2. Истинная безотказность (True failsafe). В этих устройствах смещены сами пороги распознавания сигнала. Например:

-50 / -200 мВ вместо стандартных порогов ±200 мВ, т.е. при Uab > -50мВ на выходе приемника RO будет логическая «1», а при Uab < -200 – на RO будет «0».

Таким образом, и в разомкнутой, и в пассивной линиях при разности потенциалов Uab, близкой к 0, приемник выдаст «1». Для таких приемопередатчиков внешнее защитное смещение не требуется. Тем не менее, для лучшей помехозащищенности все-таки стоит дополнительно немного подтягивать линию.

Сразу виден недостаток внешнего защитного смещения: через делитель постоянно будет протекать ток, что может быть недопустимо в системах малого потребления. В таком случае можно сделать следующее [27]:

1. Уменьшить потребление тока, увеличив сопротивления Rзс. Хотя производители приемопередатчиков и пишут о пороге распознавания в 200мВ, на практике вполне хватает 100мВ и даже меньше. Таким образом, можно сразу увеличить сопротивления Rзс раза в два-три.

Помехозащищенность при этом несколько снижается, но во многих случаях это некритично.

2. Использовать true failsafe приемопередатчики со смещенными порогами распознавания. Например, у микросхем MAX3080 и MAX3471 пороги -50мВ / -200мВ, что гарантирует единичный уровень на выходе приемника при отсутствии смещения (Uab=0). Тогда внешние резисторы защитного смещения можно убрать или значительно увеличить их сопротивление.

3. Не применять без необходимости согласование на резисторах. Если линия не будет нагружена на 2 резистора по 120Ом, то для обеспечения защитного смещения хватит «подтяжек» в несколько КОм в зависимости от числа приемников на линии.

Исключение приема при передаче в полудуплексном режиме 3.10.1. При работе с полудуплексным интерфейсом RS-485 (прием и передача по одной паре проводов с разделением по времени) можно забыть, что UART контроллера полнодуплексный, т.е. принимает и передает независимо и одновременно.

Обычно во время работы приемопередатчика RS-485 на передачу выход приемника RO переводится в третье состояние и ножка RX контроллера (приемник UART) «повисает в воздухе». В результате во время передачи на приемнике UART вместо уровня стопового бита («1») окажется неизвестно что и любая помеха будет принята за входной сигнал. Поэтому нужно либо на время передачи отключать приемник UART (через управляющий регистр), либо подтягивать RX к единице. У некоторых микроконтроллеров это можно сделать программно – активировать встроенные подтяжки портов [27].

Рис. 103. Схема подключения приемопередатчика RS-485 к микроконтроллеру.

3.10.2Интерфейс 1-Wire Сеть 1-Wire или MicroLan (MicroLan – торговая марка фирмы Dallas Semiconductor) предназначена для обеспечения питания и передачи данных с небольшой скоростью (обычно 16,4 Кбит/с) по одной сигнальной линии и одной возвратной (общий провод). Максимальное расстояние передачи – 300м.

Тип линии связи – моноканал, тип передачи – полудуплекс. К интерфейсу возможно подключение одного мастера сети и нескольких подчиненных узлов с питанием от самой сети. Основное назначение сети – обеспечение связи микроконтроллера с различными датчиками (например, термодатчиками), устройствами Touch Memory (iButton), маркировка устройств уникальным идентификатором (каждая микросхема поддерживающая интерфейс 1-Wire имеет уникальный 64-битный идентификатор) и т.д. [99].

Последовательная передача осуществляется внутри дискретно определнных временных интервалов, называемых тайм-слотами. Мasterустройство инициирует передачу с помощью посылки командного слова на slave-устройство.

Рис. 104. Примеры временных диаграмм, иллюстрирующие работу интерфейса 1-Wire: сброс устройства (верхняя диаграмма), передача данных (средняя диаграмма), прим данных от устройства (нижняя Команды и данные посылаются бит за битом, причм вначале передатся наименее значащий бит LSB (Least Significant Bit). Синхронизация master и slave происходит по спадающему срезу сигнала, когда master замыкает стоком выходного транзистора порта линию данных на провод земли. Через определнное время после среза сигнала происходит анализ (выборка) состояния данных на линии (логический «0» или логическая «1») для получения одного бита информации. В зависимости от направления передачи информации в данный момент эту выборку делает либо устройство master, либо устройство slave. Этот метод обмена информацией называют передачей данных в тайм-слотах. Каждый тайм-слот отсчитывается независимо от другого, и в обмене данными могут иметь место паузы без возникновения ошибок.

Почти сразу после присоединения к считывающему устройству (через несколько микросекунд) slave-устройство выдат на линию импульс низкого уровня, чтобы сказать устройству master, что оно на линии и ожидат получения команды. Этот сигнал называется presence pulse (импульс присутствия, далее просто presence). Master может также давать запрос на slave устройство с целью получения presence, путм выдачи специального импульса, называемого импульсом сброса (reset pulse, далее просто reset). Если slave принял reset или если он был отсоединн от считывающего устройства, он будет анализировать линию данных, и как только линия снова достигнет высокого уровня, slave сгенерирует presence.

3.10.3Интерфейс I2C В бытовой технике, телекоммуникационном оборудовании и промышленной электронике часто встречаются похожие решения в, казалось бы, никак не связанных изделиях. Например, практически каждая система включает в себя:

Некоторый «умный» узел управления, обычно однокристальная Узлы общего назначения, такие как буферы ЖКИ, порты ввода-вывода, RAM, E2PROM или преобразователи данных.

Специфические узлы, такие как схемы цифровой настройки и обработки сигнала для радио- и видеосистем, или генераторы тонального набора для телефонии.

Для того чтобы использовать эти общие решения с выгодой для конструкторов и производителей (технологов), а также увеличить эффективность аппаратуры и упростить схемотехнические решения, компания Philips в 1980 году разработала простую двунаправленную двухпроводную шину для эффективного «межмикросхемного» (inter-IC) управления. Шина так и называется – Inter-Integrated Circuit, или IIC (IC) шина. В настоящее время ассортимент продукции Philips включает более 150 КМОП и биполярных ICсовместимых устройств, функционально предназначенных для работы во всех трех вышеперечисленных категориях электронного оборудования. Все ICсовместимые устройства имеют встроенный интерфейс, который позволяет им связываться друг с другом по шине IC. Это конструкторское решение разрешает множество проблем сопряжения различных устройств, которые обычно возникают при разработке цифровых систем [12, 13, 19, 23, 24, 46, 55, 56, 81].

Основной режим работы шины IC – 100 Кбит/с; 10 Кбит/с в режиме работы с пониженной скоростью. Заметим, что стандарт допускает тактирование с частотой вплоть до нулевой. Для адресации IC-устройств используется 7 бит.

После пересмотра стандарта в 1992 году становится возможным подключение ещ большего количества устройств на одну шину (за счт возможности 10-битной адресации), а также большую скорость до 400 кбит/с в скоростном режиме. Соответственно, доступное количество свободных узлов выросло до 1008. Максимально допустимое количество микросхем, подсоединенных к одной шине, ограничивается максимальной емкостью шины в 400 пФ.

Версия стандарта 2.0, выпущенная в 1998 году представила высокоскоростной режим работы со скоростью до 3.4 Мбит/с с пониженным энергопотреблением. Последняя версия 2.1 2000 года включила лишь незначительные доработки.

1 октября 2006 года были отменены лицензионные отчисления за использование протокола IC. Однако отчисления сохраняются для выделения эксклюзивного подчиннного адреса на шине IC.

Список возможных применений IC:

Доступ к модулям памяти (RAM, E2PROM, FLASH и др.).

Доступ к низкоскоростным ЦАП/АЦП.

Работа с часами реального времени (RTC).

Управление интеллектуальными звукоизлучателями (динамиками).

Управление ЖКИ, в том числе в мобильных телефонах.

Чтение информации с датчиков мониторинга и диагностики оборудования, например, термостат центрального процессора или датчик скорости вращения вентилятора охлаждения процессора.

Информационный обмен между микроконтроллерами.

3.10.3. IC использует две двунаправленные линии с открытым стоком:

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

Максимальное напряжение +5В, часто используется +3,3В, однако допускаются и другие напряжения (не менее +2В). Шина IC поддерживает любую технологию изготовления микросхем (НМОП, КМОП, биполярную).

Рис. 105. Пример соединения устройств по шине I2C: один ведущий - микроконтроллер, три ведомых Каждое устройство распознается по уникальному адресу, будь то микроконтроллер, ЖКИ-буфер, память или интерфейс клавиатуры, и может работать как передатчик или примник, в зависимости от назначения устройства. Обычно ЖКИ-буфер – только примник, а память может как принимать, так и передавать данные. Кроме того, устройства могут быть классифицированы как ведущие и ведомые при передаче данных. Ведущий – это устройство, которое инициирует передачу данных и вырабатывает сигналы синхронизации. При этом любое адресуемое устройство считается ведомым по отношению к ведущему. Классическая адресация включает 7-битное адресное пространство с 16 зарезервированными адресами. Это означает до свободных адресов для подключения периферии на одну шину.

Transmitter Receiver Master Slave Multi-master Arbitration Synchronization Синхр. Процедура синхронизации двух устройств Возможность подключения более одного микроконтроллера к шине означает, что более чем один ведущий может попытаться начать пересылку в один и тот же момент времени. Для устранения хаоса, который может возникнуть в данном случае, разработана процедура арбитража. Эта процедура основана на том, что все IC-устройства подключаются к шине по правилу монтажного И.

Генерация синхросигнала – это всегда обязанность ведущего: каждый ведущий генерирует свой собственный сигнал синхронизации при пересылке данных по шине. Сигнал синхронизации может быть изменен, только если он «вытягивается» медленным ведомым устройством (путем удержания линии в низком состоянии), или другим ведущим в случае столкновения.

Реализация монтажного И и монтажного ИЛИ 3.10.3. Схемотехника и функционирование выхода с открытым коллектором (ОК, для КМОП-схем правильно говорить о выходе с ОС, но часто данный тип выхода по аналогии с ТТЛ-схемами называют ОК) аналогична однотактному выходу с той разницей, что внутренний (на кристалле микросхемы) нагрузочный резистор отсутствует, а подключается внешний резистор [55].

Схема представлена на рисунке ниже, условное обозначение выхода данного типа – см. рисунок ниже, б.

Рис. 106. Выход с открытым коллектором (стоком).

Особенностями выхода ОК являются:

1. Возможность подключать несколько выходов к одной шине (рис. выше, в). Эта схема включения может быть необходима для выполнения одной из двух функций:

Реализация «монтажной логики», в частности операции монтажное И для положительной логики: если хотя бы на одном из выходов будет установлен НИЗКИЙ уровень, это значит, что общая выходная шина будет замкнута на 0В через открытый транзистор этого выхода и, вне зависимости от уровней на остальных выходах, на общей шине будет установлен НИЗКИЙ уровень, т.е. логический «0». Таким образом будет реализована операция И без какого-либо специального элемента. Если использовать отрицательную логику, т.е. ИСТИНОЙ (логической «1») считать НИЗКИЙ уровень, то данная схема реализует функцию монтажного ИЛИ. Именно в такой интерпретации чаще всего используется данная схема включения. Например, сигналы прерывания от нескольких источников с выходом ОК объединены и подключены к одному входу запроса прерывания у микропроцессора. Если хоть один из них перейдет в активное НИЗКОЕ состояние, то выработается запрос прерывания и далее процессор путем опроса найдет источник этого прерывания. Другой пример – сканирование матричной клавиатуры.

Рис. 107. Подключение устройств по принципу монтажного И.

Простейший пример – сигнал готовности. Есть несколько подчиненных устройств одного типа, каждое из которых работает по своему алгоритму и, например, требует начальную инициализацию. Чтобы главный понял, что все остальные устройства закончили инициализацию и подготовились, он «слушает» линию связи. В качестве сигнала готовности подчиненное устройство отпускает линию. Когда каждое устройство пройдет инициализацию, то линия примет высокий уровень и это будет сигналом полной готовности всех устройств.

Подключение нескольких источников к общей шине. В данном случае активным является только один источник, а все неактивные обязаны установить на выходе ВЫСОКИЙ уровень. Далее, так как реализуется монтажное И (см. выше), то на шине присутствует только сигнал от одного – активного – источника. При этом, даже если одновременно активизируются два или более источников, выход не перегрузится и не «перегорит». Функция общей шины широко используется для периферийных интерфейсов микропроцессорных систем, например, в интерфейсах I2C, 1-Wire.

2. Возможность подключать нагрузку к напряжению большему или меньшему, чем напряжение питания микросхемы. Например, на рисунке (рис. выше, г) показан способ подключения обмотки реле с напряжением питания 12В. Аналогично можно подключать другие нагрузки: лампочки, линейки светодиодов, звукоизлучатели, двигатели постоянного тока и т.п. Использовать как большее, так и меньшее напряжение питания также может быть удобно для адаптеров логических уровней схем с различным напряжением питания.

Например, при конверсии сигналов с ВЫСОКИМ уровнем, равным 5В, в сигналы с ВЫСОКИМ уровнем, равным 3,3В, и наоборот.

3.10.3. Вследствие различных технологий микросхем (КМОП, НМОП, биполярная), которые могут быть подключены к шине, уровни логического «0»

(НИЗКИЙ) и логической «1» (ВЫСОКИЙ) не фиксированы и зависят от соответствующего уровня Vdd. Один синхроимпульс генерируется на каждый пересылаемый бит.

Данные на линии SDA должны быть стабильными в течение ВЫСОКОГО периода синхроимпульса. ВЫСОКОЕ или НИЗКОЕ состояние линии данных должно меняться, только если линия синхронизации в состоянии НИЗКОЕ.

Данные по линии SDA передаются байтами, при этом каждый байт должен оканчиваться битом подтверждения. Количество байт, передаваемых за один сеанс связи, не ограничено. Данные передаются, начиная со старшего бита.

Если примник не может принять еще один целый байт, пока он не выполнит какую-либо другую функцию (например, обслужит внутреннее прерывание), он может удерживать линию SCL в НИЗКОМ состоянии, переводя передатчик в состояние ожидания. Пересылка данных продолжается, когда примник будет готов к следующему байту и отпустит линию SCL (опять срабатывает правило монтажного И).

3.10.3. Процедура обмена данными по шине IC начинается с того, что ведущий формирует состояние СТАРТ – ведущий генерирует переход сигнала линии SDA из ВЫСОКОГО состояния в НИЗКОЕ при ВЫСОКОМ уровне на линии SCL [13, 81]. 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.

Определение сигналов СТАРТ и СТОП устройствами, подключенными к шине, достаточно легко, если в них встроены необходимые цепи. Однако микроконтроллеры без таковых цепей должны осуществлять считывание значения линии SDA как минимум дважды за период синхронизации для того, чтобы определить переход состояния.

3.10.3. Подтверждение при передаче данных обязательно, кроме случаев окончания передачи ведомой стороной. Соответствующий импульс синхронизации генерируется ведущим [13, 81]. Передатчик отпускает (ВЫСОКОЕ) линию SDA в течение синхроимпульса подтверждения. Примник должен удерживать линию SDA в течение ВЫСОКОГО состояния синхроимпульса подтверждения в стабильно НИЗКОМ состоянии. Конечно, время установки и удержания также должны быть приняты во внимание (электрические и временные параметры).

Таким образом, передача 8 бит данных от передатчика к приемнику завершается дополнительным циклом (формированием 9-го тактового импульса линии SCL), при котором приемник выставляет НИЗКИЙ уровень сигнала на линии SDA, как признак успешного приема байта.

В том случае, когда ведомый примник не может подтвердить свой адрес (например, когда он выполняет в данный момент какие-либо функции реального времени), линия данных должна быть оставлена в ВЫСОКОМ состоянии. После этого ведущий может выдать сигнал СТОП для прерывания пересылки данных. Если в пересылке участвует ведущий примник, то он должен сообщить об окончании передачи ведомому передатчику путем не подтверждения последнего байта. Ведомый передатчик должен освободить линию данных для того, чтобы позволить ведущему выдать сигнал СТОП или повторить сигнал СТАРТ.

3.10.3. При передаче посылок по шине IC каждый ведущий генерирует свой синхросигнал на линии SCL. Данные действительны только во время ВЫСОКОГО состояния синхроимпульса [13, 81].

Синхронизация выполняется с использованием подключения к линии SCL по правилу монтажного И. Это означает, что ведущий не имеет монопольного права на управление переходом линии SCL из НИЗКОГО состояния в ВЫСОКОЕ. В том случае, когда ведомому необходимо дополнительное время на обработку принятого бита, он имеет возможность удерживать линию SCL в НИЗКОМ состоянии до момента готовности к приему следующего бита. Таким образом, линия SCL будет находиться в НИЗКОМ состоянии на протяжении самого длинного НИЗКОГО периода синхросигналов.

Устройства с более коротким НИЗКИМ периодом будут входить в состояние ожидания на время, пока не кончится длинный период. Когда у всех задействованных устройств кончится НИЗКИЙ период синхросигнала, линия SCL перейдет в ВЫСОКОЕ состояние. Все устройства начнут проходить ВЫСОКИЙ период своих синхросигналов. Первое устройство, у которого кончится этот период, снова установит линию SCL в НИЗКОЕ состояние. Таким образом, НИЗКИЙ период синхролинии SCL определяется наидлиннейшим периодом синхронизации из всех задействованных устройств, а ВЫСОКИЙ период определяется самым коротким периодом синхронизации устройств.

Механизм синхронизации может быть использован приемниками как средство управления пересылкой данных на байтовом и битовом уровнях.

На уровне байта, если устройство может принимать байты данных с большой скоростью, но требует определенного времени для сохранения принятого байта или подготовки к приему следующего, то оно может удерживать линию SCL в НИЗКОМ состоянии после приема и подтверждения байта, переводя таким образом передатчик в состояние ожидания.

На уровне битов устройство, такое как микроконтроллер без встроенных аппаратных цепей IC или с ограниченными цепями, может замедлить частоту синхроимпульсов путем продления их НИЗКОГО периода. Таким образом скорость передачи любого ведущего адаптируется к скорости медленного устройства.

Форматы обмена данными по шине I2C (7-битный адрес) 3.10.3. После сигнала СТАРТ посылается адрес ведомого. После 7 бит адреса следует бит направления данных (R/W), «0» означает передачу (запись), а «1» – прием (чтение). Пересылка данных всегда заканчивается сигналом СТОП, генерируемым ведущим [13, 46, 81]. Однако, если ведущий желает оставаться на шине дальше, он должен выдать повторный сигнал СТАРТ и затем адрес следующего устройства. При таком формате посылки возможны различные комбинации чтения/записи.

Рис. 111. Первый байт после СТАРТ-состояния (адресный байт).

Возможные форматы:

1. Ведущий-передатчик передает данные ведомому-примнику.

Направление пересылки данных не изменяется (запись W = 0) [1346].

2. Ведущий читает ведомого немедленно после пересылки первого байта.

В момент первого подтверждения ведущий-передатчик становится ведущим-примником, и ведомый-примник становится ведомымпередатчиком. Подтверждение тем не менее генерируется ведущим.

Сигнал СТОП генерируется ведущим. В таком формате посылки есть тонкость: при приеме последнего байта надо дать ведомому понять, что больше ведущий читать не будет и отослать NACK на последнем байте.

Если же отослать ACK, то после СТОП-сигнала ведущий не отпустит линию (объясняется работой автомата в контроллере I2C). Так что прием двух байтов будет выглядеть так (чтение R = 1):

3. Комбинированный формат. При изменении направления пересылки данных повторяется сигнал СТАРТ и адрес ведомого, но бит направления данных инвертируется. Если ведущий-примник посылает повторный сигнал СТАРТ, он обязан предварительно послать сигнал неподтверждения [13, 46, 81].

Такой формат пересылки используется, например, когда необходимо прочитать данные из памяти (EEPROM), часов реального времени и др. по определенному адресу. Таким образом, сначала в ведомое устройство записывается адрес чтения данных (на рисунке выше это адрес ячейки 0x05), т.е. выполняется инициализация счетчика адреса ведомого устройства; затем делается повторный старт (RS), после чего читаются данные по заданному ранее адресу.

3.10.3. Арбитраж помогает решать конфликтные ситуации во время передачи данных по IC, когда присутствует несколько ведущих (режим мультимастера).

Ведущий может начинать пересылку данных, только если шина свободна. Если один ведущий передает на линию данных НИЗКИЙ уровень, в то время как другой ВЫСОКИЙ, то последний отключается от линии, так как состояние SDA (НИЗКОЕ) не соответствует ВЫСОКОМУ состоянию его внутренней линии данных [13, 46, 81].

Вследствие того, что арбитраж зависит только от адреса и данных, передаваемых соревнующимися ведущими, не существует центрального ведущего, а также приоритетного доступа к шине.

Рис. 115. Арбитраж между двумя ведущими (случай одновременной передачи данных).

Что же будет, когда два ведущих начнут передачу одновременно? Тут опять помогает свойство монтажного И: оба мастера бит за битом передают адрес ведомого, потом данные. Кто первый выставит на линию «0», тот и побеждает в этой конфликтной ситуации. Так что очевидно, что самый важный адрес должен начинаться с нулей, чтобы тот, кто к нему пытался обращаться, всегда выигрывал арбитраж. Проигравшая же сторона вынуждена ждать, пока шина не освободится.

Таким образом, арбитраж может продолжаться до окончания адреса, а если ведущие адресуют одно и то же устройство, то в арбитраже будут участвовать и данные. Вследствие такой схемы арбитража при столкновении данные не теряются.

Ведущему, проигравшему арбитраж, разрешается выдавать синхроимпульсы на шину SCL до конца байта, в течение которого был потерян доступ.

Если в устройство ведущего также встроены и функции ведомого и он проигрывает арбитраж на стадии передачи адреса, то он немедленно должен переключиться в режим ведомого, так как выигравший арбитраж ведущий мог адресовать его.

3.10.3. 1. Требуются только две линии – линия данных (SDA) и линия синхронизации (SCL). Каждое устройство, подключнное к шине, может быть программно адресовано по уникальному адресу. В каждый момент времени существует простое отношение ведущий/ведомый:

ведущие могут работать как ведущий передатчик и ведущий примник.

2. Шина позволяет иметь несколько ведущих, предоставляя средства для определения коллизий и арбитраж для предотвращения повреждения данных в ситуации, когда два или более ведущих одновременно начинают передачу данных. В стандартном режиме обеспечивается передача последовательных 8-битных данных со скоростью до кбит/с и до 400 кбит/с в «быстром» режиме.

3. Встроенный в микросхемы фильтр подавляет всплески, обеспечивая целостность данных.

4. Максимально допустимое количество микросхем, подсоединнных к одной шине, ограничивается максимальной емкостью шины 400 пФ.

Преимущества для конструктора I2C-совместимые микросхемы позволяют ускорить процесс разработки от функциональной схемы до прототипа [13, 81]. Более того, поскольку такие микросхемы подключаются непосредственно к шине без каких-либо дополнительных цепей, появляется возможность модификации и модернизации системы прототипа путем подключения и отключения устройств от шины.

касаются конструкторов:

1. Блоки на функциональной схеме соответствуют микросхемам, переход от функциональной схемы к принципиальной происходит быстро.

2. Нет нужды разрабатывать шинные интерфейсы, так как шина уже интегрирована в микросхемы.

3. Интегрированные адресация устройств и протокол передачи данных позволяют системе быть полностью программно определяемой.

4. Одни и те же типы микросхем могут быть часто использованы в разных приложениях.

5. Время разработки снижается, так как конструкторы быстро знакомятся с часто используемыми функциональными блоками и соответствующими микросхемами.

6. Микросхемы могут быть добавлены или убраны из системы без оказания влияния на другие микросхемы, подключенные к шине.

7. Простая диагностика сбоев и отладка; нарушения в работе могут быть немедленно отслежены.

8. Время разработки программного обеспечения может быть снижено за счет применения библиотеки повторно используемых программных Помимо этих преимуществ, КМОП I2C-совместимые микросхемы предоставляют для конструкторов специальные решения, которые в частности привлекательны для портативного оборудования и систем с батарейным питанием:

Крайне низкое потребление.

Высокая стойкость к помехам.

Широкий диапазон питающего напряжения.

Широкий рабочий температурный диапазон.

Преимущества для технолога (производителя) I2C-совместимые микросхемы не только помогают конструкторам, но и дают широкий диапазон преимуществ для технологов, потому что [13, 81]:

1. Простая двухпроводная последовательная шина I2C минимизирует соединения между микросхемами: микросхемы имеют меньше контактов и требуется меньше дорожек. В результате печатные платы становятся менее дорогими и меньше по размеру.

2. Полностью интегрированный I2C-протокол устраняет нужду в дешифраторах адреса и другой внешней мелкой логике.

3. Возможность нескольких ведущих на I2C-шине позволяет ускорить тестирование и настройку оборудования при помощи подключения шины к компьютеру сборочной линии.

4. Доступность I2C-совместимых микросхем в SO- и VSO-корпусах, а также в DIL-корпусе снижает требования к размеру еще больше.

Это лишь некоторые преимущества. Кроме того, IC-совместимые микросхемы увеличивают гибкость системы, позволяя простое конструирование вариантов оборудования и легкую модернизацию для того, чтобы поддерживать разработки на современном уровне [13, 81]. Таким образом, целое семейство оборудования может быть разработано на основе базовой модели. Модернизация оборудования и расширение его функций (например, дополнительная память, дистанционное управление и т.п.) могут быть произведены путем простого подключения соответствующей микросхемы к шине. Если требуется бoльшое ПЗУ, то дело лишь в выборе микроконтроллера с большим объемом ПЗУ. Поскольку новые микросхемы могут замещать старые, легко добавлять новые свойства в оборудование или увеличивать его производительность путем простого отсоединения устаревшей микросхемы и подключения к шине новой.

3.10.4Интерфейс USB USB (Universal Serial Bus – «универсальная последовательная шина») – последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике [37].

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USBIF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для прима и передачи данных, а два провода – для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (devices) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Устройствохаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например: подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т.п. Комбинированное устройство (compound device), содержащее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Работой всей системы USB управляет хостконтроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств. Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства – исключительно ведомые. Физическая топология шины USB – многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub), как правило, двухпортовым. Хаб является устройством-разветвителем, он может являться и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого).

Поскольку комбинированные устройства внутри себя содержат хаб, их подключения к хабу 6-го яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба. Логическая топология USB – просто звезда: для хостконтроллера хабы создают иллюзию непосредственного подключения каждого устройства. В отличие от шин расширения (ISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами посредством обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB.

3.10.4. Каждое устройство на шине USB при подключении автоматически получает свой уникальный адрес. Логически устройство представляет собой набор независимых конечных точек (endpoint, ЕР), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждая конечная точка имеет свой номер и описывается следующими параметрами:

обслуживания.

Требуемая полоса пропускания канала.

Требования к обработке ошибок.

Максимальные размеры передаваемых и принимаемых пакетов.

Направление передачи (для передач массивов и изохронного обмена).

Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса состояния устройства. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине. Она поддерживает передачи типа «управление». Кроме нулевой точки, устройства-функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными.

Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные – до 15 точек ввода и 15 точек вывода (протокольное ограничение). Дополнительные точки (а именно они и предоставляют полезные для пользователя функции) не могут быть использованы до их конфигурирования (установления согласованного с ними канала).

Каналом (pipe) в USB называется модель передачи данных между хостконтроллером и конечной точкой устройства. Имеются два типа каналов: потоки и сообщения. Поток (stream) доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух поточных каналов – ввода и вывода. Поток может реализовывать следующие типы обмена: передача массивов, изохронный и прерывания. Сообщение (message) имеет формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двусторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке.

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т.п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния.

3.10.4. Все обмены (транзакции) с устройствами USB состоят из двух-трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-маркер (token packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет квитирования (handshake packet). Хост-контроллер организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Контроллер циклически (с периодом 1,0+0,0005 мс) формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные транзакции. Каждый кадр начинается с посылки маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы. В конце каждого кадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. В режиме HS пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (период 125+0, мкс). Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в них всегда находилось место для транзакций управления и прерываний. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов (bulk transfers). В каждом (микро) кадре может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зависит от длины поля данных каждой из них.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому программному обеспечению.

Все подробности организации транзакций от клиентского ПО изолируются контроллером USB и его системным программным обеспечением.

3.11 Сети передачи данных систем обработки данных.

Беспроводные сенсорные сети 3.11.1Сети передачи данных Сеть передачи данных – совокупность оконечных устройств (терминалов) связи, объединнных каналами передачи данных и коммутирующими устройствами (узлами сети), обеспечивающими обмен сообщениями между всеми оконечными устройствами. В вычислительной технике существует другой взгляд на определение сети: сеть определяется как сетевая подсистема вычислительной системы, которая включает технические средства и сервисы по организации взаимодействия компонентов (компьютеров) вычислительной системы.

3.11.2Беспроводные сенсорные сети Сенсорная сеть (Wireless Sensor Network, WSN) – это инфраструктура, состоящая из сенсорных (измерительных), вычислительных и коммуникационных элементов, которая позволяет администратору осуществлять наблюдение за событиями и явлениями в определенной среде и реагировать на них. Под администратором понимается гражданский, правительственный, коммерческий или промышленный субъект. Средой в данном случае могут быть элементы физической природы, биологическая система или какая-нибудь информационная структура. Объединенная в сеть система сенсоров рассматривается как важная технология, которая в течение нескольких лет получит широкое распространение в многочисленных областях, в список которых будут входить не только системы безопасности. Типичными областями на сегодняшний день являются системы сбора информации (data collection), мониторинга, наблюдения и медицинской телеметрии.

В общем случае, беспроводная сенсорная сеть (БСС) – автономная самоорганизующаяся распределенная информационно-управляющая система, состоящая из малогабаритных интеллектуальных сенсорных устройств, обменивающихся информацией по беспроводным каналам связи.

У сенсорной сети есть 4 базовых компонента:

1. Совокупность сенсоров (пространственно распределенных либо локализованных).

2. Соединяющая их сеть (обычно, но не всегда, беспроводная).

3. Центральный узел сбора информации.

4. Совокупность вычислительных ресурсов для сопоставления данных, анализа событий и извлечения информации.

Следует обратить внимание на то, что в данном контексте вычислительные элементы считаются частью сенсорной сети; фактически же некоторые вычисления могут осуществляться непосредственно внутри узлов сети – самих сенсоров. Вычислительная и коммуникационная инфраструктура сенсорных сетей зачастую весьма специфична, заточена под конкретную область применения.

Сенсоры в БСС имеют большое разнообразие задач, функций и возможностей. Сегодня эта технология динамично развивается, благодаря, с одной стороны, последним научным разработкам, и, с другой стороны, появлению огромного количества потенциальных областей применения.

Сенсорная сеть – это многофункциональная область, в которую, среди прочих, входят работа с сетью, обработка сигналов, работа с базами данных, искусственный интеллект и т.п. Принципы сетевой организации и сетевые протоколы для этой технологии еще только начинают разрабатываться.

БСС может включать в себя следующие типы сенсоров:

Электромагнитные.

Радиочастотные.

Оптические.

Оптоэлектронные.

Инфракрасные.

Навигационные.

Сейсмические.

Беспроводные сенсорные сети и системы разделяют на две категории:

БСС 1 категории (C1WSN) – практически без исключения это многосвязные системы с многозвенной (многоскачковой, ретрансляционной) радиосвязью внутри беспроводных узлов или между ними, использующие методы динамической маршрутизации как на беспроводных, так и на проводных участках сети. Они характеризуются большим числом узлов (сенсоров, датчиков), массивными потоками данных (информации). Находят применение в сильно распределенных системах, таких как мониторинг окружающей среды, системы национальной безопасности, военные системы, применяемые в рекогносцировке.

БСС 2 категории (C2WSN) – это обычно системы типа «точка-точка»

или звезда, с прямыми (односкачковыми) связями, использующие статическую маршрутизацию внутри беспроводной сети. Для них типичным является наличие только одного пути от источника к совместимому наземному или проводному передающему узлу сети (обычно БСС состоит из подвесных (прикрепляемых) узлов). Для таких БСС характерны относительно небольшие потоки данных (информации) транзакционного типа. Обычно применяются в помещениях ограниченного размера, например: в домах, на фабриках, в других строениях. Это могут быть домашние сенсорные системы («умный дом», интеллектуальное здание), системы радиочастотного распознавания Традиционно сенсорные сети находили применение в контексте таких сложных областей, как системы обнаружения радиации и/или ядерной угрозы, системы наведения корабельного вооружения, биомедицинские устройства, сейсмический мониторинг. В последнее время появился интерес к их применению в качестве детекторов химической и биологической угрозы для систем национальной безопасности, а также на потребительском рынке. Ниже приведен краткий список существующих и потенциальных областей применения:

Применение в военных областях:

Наблюдение за силами противника либо за своими войсками и снаряжением.

Рекогносцировка.

Целеуказание.

Оценка нанесенного урона (повреждений).

Системы обнаружения ядерных, биологических, химических и других Применение в природной среде:

Контроль микроклимата.

Предсказание погоды (разного рода осадков).

Обнаружение лесных пожаров.

Обнаружение наводнений.

Здравоохранение:

Удаленное наблюдение за физиологическими показателями (сенсоры на теле человека либо внутри него).

Определение местонахождения врачей и пациентов внутри больницы.

Распределение лекарств.

Помощь престарелым людям, людям с ограниченной подвижностью.

Домашнее применение («умный дом»).

Снятие показаний со счетчиков.

Включение/выключение электроприборов.

Промышленные и коммерческие инфраструктуры:

Средства контроля и наблюдения в промышленных и офисных постройках.

Контроль оборудования.

Отслеживание и обнаружение средств передвижения.

Наблюдение за потоком машин.

Метрополитен.

Прежде всего, необходимо понимание того, что сенсорные сети имеют дело с пространством и временем: месторасположением, зоной покрытия и синхронизацией информации. Обычно им приходится обрабатывать большое количество информации за ограниченное время. Поэтому сенсорные сети часто поддерживают внутрисетевые вычисления и обработку. Некоторые из них используют обработку в узле-источнике, другие имеют иерархическую архитектуру. Вместо отправки необработанных данных в узлы, ответственные за общее скопление информации, узел-источник зачастую задействует собственные мощности для произведения базовых расчетов, а потом передает уже частично обработанную информацию. При использовании иерархической архитектуры обработка происходит последовательно во всех узлах, через которые проходит отправленная источником порция информации, до того, как она достигает необходимого распределительного или административного узла.

Все без исключения сенсоры имеют ограниченный запас энергии и полосу пропускания для передачи сигнала. Данные ограничения в совокупности с необходимостью размещения большого количества сенсоров вызывают много трудностей в разработке и управлении БСС.

Ниже приведены ключевые понятия, относящиеся к БСС:

1. Сенсоры:

Внутренняя функциональность.

Обработка сигнала.

Сжатие, обнаружение и исправление ошибок, шифрование.

Контроль/приведение в действие.

Кластеризация и внутрисетевые вычисления.

Самоорганизация.

2. Беспроводные радио технологии:

Software-defined radios.

Дальность передачи.

Искажения при передаче.

Способы модуляции сигнала.

Сетевые топологии.

3. Стандарты (де-юро):

IEEE 802.11 a/b/g с добавочными протоколами безопасности.

IEEE 802.15.1 PAN/Bluetooth.

IEEE 802.15.3 ultrawideband (UWB).

IEEE 802.15.4/ZigBee.

IEEE 802.16 WiMax.

IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group).

Mobile IP.

4. Стандарты (де-факто):

TinyOS (программная платформа с открытым кодом, разрабатываемая в университете Беркли, Калифорния).

TinyDB (система обработки запросов для извлечения информации из сети сенсоров, оснащенных TinyOS).

Приложение А. Система ввода-вывода учебного А.1 Назначение стенда Учебный стенд представляет собой микропроцессорный контроллер, построенный на базе однокристальной микроЭВМ ADuC812 [3] (SDK-1.1/S на ADuC842) и имеющий в своем составе разнообразные устройства, типичные для современных встроенных систем и предназначенные для ввода, обработки и вывода информации в цифровом и аналоговом виде. SDK-1.1 можно применять в качестве аппаратной базы для обучения основам современной микропроцессорной техники и программируемой логики в университетах, колледжах, физико-математических школах и на предприятиях [88].

Необходимость в подобных стендах возникает из-за того, что современные персональные компьютеры, к сожалению, достаточно плохо позволяют демонстрировать студентам все тонкости организации вычислительного процесса. Во-первых, вся «начинка» современного компьютера скрыта от пользователя операционной системой. Во-вторых, аппаратная база компьютеров часто меняется, что сильно затрудняет поддержку учебных материалов в актуальном состоянии. В-третьих, аппаратура современных компьютеров общего назначения весьма сложна и на подробное е изучение может просто не хватить времени, отведенного на курс учебной программой.

А.2 Состав стенда В состав учебного стенда SDK-1.1 входят:

1. Микроконтроллер ADuC812 (Analog Devices), 8 Кб FLASH, 256 байт ОЗУ, 640 байт E2PROM.

2. Внешнее ОЗУ 128 Кб (с возможностью расширения до 512 Кб), подключение к МК ADuC812 по системной шине; используется для хранения пользовательских программ и данных.

3. Расширитель портов ввода–вывода – ПЛИС MAX3064 (Altera), подключение к МК ADuC812 по системной шине.

4. Внешняя память E2PROM 256 байт, подключение к МК ADuC812 по интерфейсу I2C.

5. Часы реального времени – PCF8583 (Philips), подключение по интерфейсу I2C.

6. Консоль оператора (подключение через ПЛИС к МК ADuC812):

Символьный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) WH1602BYGK-CP (Winstar Display), 16 * 2.

Матричная клавиатура, 4 * 4.

Звуковой излучатель – 1 шт.

Управляемые светодиоды – 8 шт.

Ручные переключатели тестовых сигналов для аналоговых и дискретных портов ввода: коммутатор аналоговых каналов (подключен напрямую к МК ADuC812) и стимулятор дискретных 7. Интерфейсы:

Оптически развязанный приемопередатчик инструментального канала RS–232C (для связи с персональным компьютером).

Интерфейс JTAG (IEEE 1149.1) для контроля периферийной шины и портов, реализованных в ПЛИС MAX3064.

Рис. 116. Структура аппаратной части учебного стенда SDK-1.1.

А.3 Вычислительное ядро и система ввода-вывода Вычислительное ядро – это оборудование и программные средства, которые непосредственно участвуют в решении заданной задачи (выполняют вычислительную работу). Таким образом, к вычислительному ядру контроллера SDK-1.1 относятся такие элементы, как процессор семейства MCS-51, внутреннее ОЗУ данных и FLASH-память программ (в ней располагаются резидентный загрузчик и системная таблица векторов прерываний) микроконтроллера ADuC812, внешняя память программ и данных SRAM, предназначенная для размещения пользовательских программ и данных.

Система ввода-вывода содержит элементы вычислительной системы, обеспечивающие общение вычислительного ядра с внешней средой. Таким образом, к системе ввода-вывода контроллера SDK-1.1 относятся все контроллеры ввода-вывода и периферийные устройства, находящиеся в микроконтроллере ADuC812: порты ввода-вывода, таймеры/счетчики, универсальный асинхронный приемопередатчик (UART), контроллеры интерфейсов I2C и SPI, АЦП, ЦАП и др. Доступ ко всей периферии в микроконтроллере осуществляется через регистры специального назначения (SFR). Также к системе ввода-вывода стенда относится расширитель портов ввода-вывода, выполненный на базе ПЛИС, и все подключенные к нему периферийные устройства: ЖКИ, матричная клавиатура, линейка светодиодов, звуковой излучатель, дискретные порты ввода-вывода. Необходимо отметить, что расширитель портов ввода-вывода разделяет единое внешнее пространство данных с внешним ОЗУ.

Данное разделение компонентов стенда SDK-1.1 по принципу принадлежности вычислительному ядру или системе ввода-вывода выполнено на логическом уровне. В следующих подразделах приведена более подробная информация о компонентах стенда, при этом «выделение» компонентов выполнено на физическом уровне, т.е. на основе принципиальной электрической схемы.

А.3.1 Микроконтроллер ADuC Микроконтроллер ADuC812 является клоном Intel 8051 (8052) со встроенной периферией, а значит, является представителем Гарвардской архитектуры.

Основные характеристики:

1. Рабочая частота 11,0592МГц.

2. 8 Кб FLASH-памяти (10000-50000 циклов «стирание-запись-чтение») для хранения программ. В стенде SDK-1.1 в этой памяти располагаются резидентный загрузчик и системная таблица векторов прерываний.

3. 256 байт ОЗУ данных.

4. 640 байт программируемого E2PROM со страничной организацией ( страниц по 4 байта, 10000-50000 циклов доступа к памяти/стираниезапись-чтение) для хранения данных (например, различных настроек).

5. Адресное пространство памяти программ 64 Кб.

6. Адресное пространство внешней памяти данных 16 Мб.

7. Четыре 8-разрядных порта ввода-вывода (три двунаправленных, один 8. Три 16-битных таймера/счетчика и один таймер WatchDog.

9. 8-канальный 12-битный АЦП, который может работать в режиме (максимальная частота выборки-дискретизации 200 кГц).

10.2-канальный 12-битный ЦАП.

11.Внутренний термодатчик.

12.Режим управления питанием.

13.Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART).

14.Интерфейс I2C (используется в стенде SDK-1.1), интерфейс SPI (не используется в стенде SDK-1.1).

Рис. 117. Микроконтроллер ADuC812 на принципиальной электрической схеме стенда SDK-1.1.

А.3.2 Внешняя память программ и данных Внешняя память программ и данных стенда SDK-1.1 – статическое ОЗУ (SRAM), имеющее страничную организацию и предназначенное для размещения пользовательских программ и данных. Размер страницы 64 Кб.

Первая страница (страница 0) доступна для выборки и команд, и данных микроконтроллером ADuC812. Остальные страницы доступны только для размещения данных (логическое адресное пространство внешней памяти данных составляет 16 Мб). Однако реально для пользовательских программ доступно не 64 Кб, а 52 Кб, так как в младшие адреса отображается 8 Кб FLASH-памяти ADuC812 (адреса 0000h-1FFFh). Кроме того, 4 Кб зарезервировано резидентным загрузчиком МК (адреса F000h-FFFFh).

Если в пользовательской программе используются прерывания, то ее рекомендуется загружать с адреса 2100h, так как в пространстве адресов 2000hh располагается пользовательская таблица векторов прерывания.

Физическое адресное пространство внешней памяти данных в стенде SDK-1.1 ограничено 512 Кб (т.е. не может быть 16 Мб), потому что, начиная с страницы, располагается адресное пространство ПЛИС (MAX 3064).

Внешняя память программ и данных подключается к МК ADuC812 по системной шине (как и ПЛИС).

Рис. 118. Подключение внешней памяти программ и данных к МК ADuC812.