Giao diện phần cứng

Giao diện (tương tác) là kết nối giữa các thành phần và người tham gia trong hệ thống vi xử lý.

V hệ thống vi xử lý bao gồm: phần cứng, phần mềm và con người... Do đó, người ta phân biệt các loại giao diện sau:

• giao diện phần cứng;

• giao diện phần mềm;

• giao diện người dùng.

Giao diện lập trình do hệ điều hành cung cấp (nếu có). Các giao diện người dùng phổ biến nhất là giao diện đồ họa (ví dụ: màn hình máy tính có các biểu tượng hoặc nút lệnh trong trình soạn thảo Microsoft Office Word) và giao diện cần điều khiển, nơi chúng tôi chọn lệnh mình cần bằng cách điều hướng qua các menu (ví dụ: điện thoại di động , bộ điều khiển khả trình) , cũng là một loại GUI.

Giao diện phần cứng là một hệ thống các bus, đầu nối, thiết bị phù hợp, thuật toán và giao thức cung cấp giao tiếp giữa tất cả các bộ phận của hệ thống vi xử lý. Hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc vào đặc tính của giao diện.

Trong các hệ thống vi xử lý nhúng, giao diện phần cứng được cung cấp bởi bộ điều khiển giảm tải CPU.Bộ điều khiển Nó là một vi mạch chuyên dụng được thiết kế để thực hiện các chức năng giám sát và điều khiển. Bộ điều khiển quản lý hoạt động của thiết bị, chẳng hạn như đĩa cứng, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, bàn phím và đảm bảo kết nối của thiết bị này với những người tham gia khác trong MS.

Lốp xe được điều khiển bởi các cầu nối... Trong MS phức tạp, chẳng hạn như một máy tính cá nhân, vị trí trung tâm được chiếm bởi «ChipSet» (ChipSet) - một bộ các cầu nối và bộ điều khiển. Chipset chứa hai chip chính, theo truyền thống được gọi là cầu nam và cầu bắc (Hình 1). Chip cầu bắc phục vụ bus hệ thống, bus bộ nhớ, AGP (cổng đồ họa tăng tốc) và là bộ điều khiển chính của máy tính. Cầu nam xử lý công việc với các thiết bị ngoại vi (PCI bus—I/O bus for connection devices ngoại vi).

Hình 1 - Tổ chức trao đổi dữ liệu trong máy tính cá nhân (PC)

Việc tổ chức tương tác giữa bộ xử lý và các thiết bị bên ngoài là khó khăn nhất do chúng rất đa dạng.

Các giao diện song song được đặc trưng ở chỗ chúng sử dụng các đường tín hiệu riêng biệt để truyền các bit và các bit được truyền đồng thời. Giao diện song song cổ điển là một cổng LPT.

Giao diện truyền dữ liệu nối tiếp sử dụng một đường tín hiệu duy nhất trên đó các bit thông tin được truyền tuần tự lần lượt.

Giao diện nối tiếp đơn giản nhất, đã trở nên phổ biến cả trong máy tính và trong các hệ thống công nghiệp, là tiêu chuẩn RS-232, được triển khai bởi COM — cổng... Trong tự động hóa công nghiệp, nó được sử dụng rộng rãi RS-485.

Bus USB (Universal Serial Bus) kết nối nhiều loại thiết bị ngoại vi với máy tính của bạn, bao gồm cả điện thoại di động và thiết bị điện tử tiêu dùng.

Thông số kỹ thuật giao diện đầu tiên được gọi là USB 1.0, thông số kỹ thuật USB 2.0 hiện đang được sử dụng, các thiết bị hiện đại được kết nối với thông số kỹ thuật USB 3.0.

Chuẩn USB 2.0 có bốn đường: nhận và truyền dữ liệu, nguồn điện +5 V và vỏ. Ngoài những thứ này, USB 3.0 còn bổ sung thêm bốn đường giao tiếp (2 để nhận và hai để truyền) và một hộp đựng.

Bus USB có băng thông cao (USB 2.0 cung cấp tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên tới 480 Mbps, USB 3.0 — lên tới 5.0 Gbps) và không chỉ cung cấp khả năng truyền dữ liệu mà còn cung cấp nguồn điện cho các thiết bị bên ngoài công suất thấp (dòng điện tối đa thiết bị tiêu thụ thông qua các đường dây điện của bus USB, không được vượt quá 500 mA đối với USB 2.0 và 900 mA đối với USB 3.0), giúp loại bỏ nhu cầu về nguồn điện bên ngoài.

Giao diện không dây (không dây) cho phép bạn tránh xa các loại cáp truyền thông, điều này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị có kích thước nhỏ, kích thước và trọng lượng tương đương với cáp. Sử dụng giao diện không dây sóng điện từ hồng ngoại (IrDA) và dải tần số vô tuyến (Bluetooth, USB không dây).

Giao diện IrDA hồng ngoại cho phép giao tiếp không dây giữa hai thiết bị ở khoảng cách lên tới 1 mét. Giao tiếp hồng ngoại - IR (infrared) connection - an toàn cho sức khỏe, không gây nhiễu sóng trong dải tần số vô tuyến và đảm bảo tính riêng tư khi đường truyền. Tia hồng ngoại không xuyên qua tường nên khu vực tiếp nhận được giới hạn trong một khu vực nhỏ, dễ kiểm soát.

Bluetooth (răng xanh) là giao diện vô tuyến công suất thấp (công suất máy phát chỉ khoảng 1 mW) để tổ chức các mạng cá nhân cung cấp khả năng truyền dữ liệu thời gian thực trong khoảng cách ngắn. Mỗi thiết bị Bluetooth có một bộ phát và thu sóng vô tuyến 2,4 GHz. Phạm vi của giao diện vô tuyến là khoảng 100 m — để phủ sóng một ngôi nhà tiêu chuẩn.

USB không dây (USB không dây) — giao diện vô tuyến tầm ngắn với băng thông cao: 480 Mbps ở khoảng cách lên đến 3 mét và 110 Mbps ở khoảng cách lên đến 10 mét. Nó hoạt động ở dải tần 3,1 — 10,6 GHz.

Giao diện RS-232 (RS — Tiêu chuẩn khuyến nghị) kết nối hai thiết bị — máy tính và thiết bị truyền dữ liệu. Tốc độ truyền là 115 Kbps (tối đa), khoảng cách truyền là 15 m (tối đa), sơ đồ kết nối là điểm-điểm.

Tín hiệu từ giao diện này được truyền đi bằng điện áp rơi (3 … 15) V, do đó, theo quy luật, độ dài của đường truyền thông RS-232 bị giới hạn trong khoảng cách vài mét do khả năng chống nhiễu thấp. Nó thường được sử dụng trong các thiết bị công nghiệp, trong máy tính cá nhân, nó được sử dụng để kết nối với bộ điều khiển kiểu "chuột", modem. Giao diện RS-232 thường không cho phép kết nối mạng vì nó chỉ kết nối 2 thiết bị.

Hình 2 - Đầu nối RS-232 loại DB9

Giao diện RS-485 là giao diện nối tiếp công nghiệp chống nhiễu, tốc độ cao được sử dụng rộng rãi để truyền dữ liệu hai chiều. Hầu hết tất cả các máy tính hiện đại trong thiết kế công nghiệp, hầu hết các cảm biến và ổ đĩa đều chứa một hoặc một triển khai khác của giao diện RS-485.

Một cặp dây xoắn (đôi xoắn) là đủ để truyền và nhận dữ liệu.Việc truyền dữ liệu được thực hiện bằng cách sử dụng các tín hiệu vi sai (tín hiệu gốc đi trên một dây và bản sao ngược lại của nó ở dây khác.). Sự khác biệt điện áp của một cực giữa các dây có nghĩa là hợp lý, sự khác biệt của cực khác có nghĩa là bằng không.

Khi có nhiễu bên ngoài, điểm nối dây ở các dây liền kề là như nhau và vì tín hiệu là hiệu điện thế trong các dây nên mức tín hiệu không thay đổi. Điều này mang lại khả năng chống ồn cao và tổng chiều dài của đường truyền thông lên tới 1 km (và hơn thế nữa khi sử dụng các thiết bị đặc biệt - bộ lặp).

Giao diện RS-485 cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu giữa một số thiết bị qua đường dây liên lạc hai dây ở chế độ bán song công (việc nhận và truyền đi qua một cặp dây được phân tách theo thời gian). Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để tạo ra các hệ thống điều khiển quá trình.

Ethernet (ether — ether) — công nghệ truyền dữ liệu được sử dụng trong hầu hết các mạng máy tính cục bộ. Giao diện này dựa trên tiêu chuẩn IEE 802.3.Mặc dù giao diện RS-485 có thể được xem xét trên cơ sở một-nhiều, Ethernet hoạt động trên cơ sở nhiều-nhiều.

Có một số tùy chọn tùy thuộc vào tốc độ bit và phương tiện truyền dẫn:

• Ethernet — 10 Mb/giây

• Ethernet nhanh — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1Gbps

• Ethernet 10 Gigabit

Cáp đồng trục, xoắn đôi (giá thành thấp, khả năng chống nhiễu cao) và cáp quang (tạo ra các đường dài hơn và các kênh liên lạc tốc độ cao) được sử dụng làm phương tiện truyền dẫn.

Cáp xoắn đôi (xoắn đôi) — một loại cáp thông tin, là một hoặc nhiều cặp dây cách điện được xoắn lại với nhau và được bọc bằng một lớp vỏ nhựa.

Ví dụ: cáp FTP (cặp xoắn — cặp xoắn có lá chắn chung và dây dẫn bằng đồng để thoát dòng điện cảm ứng), 4 cặp (rắn), loại 5e (Hình 3). Cáp được thiết kế để lắp đặt cố định trong các tòa nhà, công trình và làm việc trong các hệ thống cáp có cấu trúc. Được thiết kế cho các ứng dụng hoạt động trong dải tần có giới hạn trên 100 MHz.

Hình 3 — cặp xoắn: 1 — vỏ ngoài, 2 — lá chắn, 3 — dây dẫn lưu, 4 — màng bảo vệ, 5 — cặp xoắn

Ở cấp độ vật lý, giao thức Ethernet được triển khai dưới dạng thẻ mạng được nhúng trong hệ thống vi xử lý và trung tâm kết nối các hệ thống với nhau.

Các mạng công nghiệp (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) được xây dựng trên cơ sở Ethernet, cạnh tranh thành công với các mạng được phát triển trước đó là Profibus, DeviceNet, CANopen, v.v.