Interfacce hardware

Un'interfaccia (interazione) è la connessione tra componenti e partecipanti in un sistema a microprocessore.

v sistema a microprocessore include: hardware, software e persone... Pertanto, si distinguono i seguenti tipi di interfacce:

• interfaccia hardware;

• interfaccia software;

• interfaccia utente.

Interfaccia di programmazione fornita dal sistema operativo (se presente). Le interfacce utente più comuni sono un'interfaccia grafica (ad esempio, il desktop di un computer con icone o pulsanti di comando nell'editor di Microsoft Office Word) e un'interfaccia joystick, in cui selezioniamo il comando di cui abbiamo bisogno navigando attraverso i menu (ad esempio, telefoni cellulari , controller programmabili) , che è anche un tipo di GUI.

Un'interfaccia hardware è un sistema di bus, connettori, dispositivi di corrispondenza, algoritmi e protocolli che forniscono la comunicazione tra tutte le parti di un sistema a microprocessore. Le prestazioni e l'affidabilità del sistema dipendono dalle caratteristiche dell'interfaccia.

Nei sistemi a microprocessore embedded, l'interfaccia hardware è fornita dai controller di offload della CPU.Controller È un microcircuito specializzato progettato per eseguire funzioni di monitoraggio e controllo. Il controller gestisce il funzionamento del dispositivo, ad esempio, disco rigido, memoria ad accesso casuale, tastiera e garantisce la connessione di questo dispositivo con altri partecipanti alla MS.

I pneumatici sono controllati da ponti... In MS complessi, ad esempio, come un personal computer, il posto centrale è occupato dal «ChipSet» (ChipSet) - un insieme di bridge e controller. Il chipset contiene due chip principali, tradizionalmente chiamati south bridge e north bridge (Figura 1). Il Northbridge serve il bus di sistema, il bus di memoria, l'AGP (porta grafica accelerata) ed è il controller principale del computer. Le maniglie del south bridge funzionano con dispositivi esterni (bus PCI - bus I / O per il collegamento di dispositivi periferici).

Figura 1 — Organizzazioni di scambio di dati nei personal computer (PC)

L'organizzazione dell'interazione tra processore e dispositivi esterni è la più difficile, a causa della loro grande varietà.

Le interfacce parallele sono caratterizzate dal fatto che utilizzano linee di segnale separate per trasmettere i bit ei bit vengono trasmessi simultaneamente. La classica interfaccia parallela è una porta LPT.

Un'interfaccia di trasmissione dati seriale utilizza un'unica linea di segnale sulla quale i bit di informazioni vengono trasmessi in sequenza uno dopo l'altro.

L'interfaccia seriale più semplice, che si è diffusa sia nei computer che nei sistemi industriali, è lo standard RS-232, implementato da COM — porte... Nell'automazione industriale, è ampiamente utilizzato RS-485.

Un bus USB (Universal Serial Bus) collega un'ampia varietà di dispositivi periferici al computer, inclusi telefoni cellulari ed elettronica di consumo.

La prima specifica di interfaccia si chiama USB 1.0, la specifica USB 2.0 è attualmente utilizzata, i dispositivi moderni sono collegati alla specifica USB 3.0.

Lo standard USB 2.0 contiene quattro linee: ricezione e trasmissione dati, alimentazione +5 V e custodia. Oltre a queste, USB 3.0 aggiunge altre quattro linee di comunicazione (2 per la ricezione e due per la trasmissione) e una custodia.

Il bus USB ha un'elevata larghezza di banda (USB 2.0 fornisce una velocità di trasferimento dati massima fino a 480 Mbps, USB 3.0 — fino a 5,0 Gbps) e fornisce non solo il trasferimento dei dati, ma anche l'alimentazione a dispositivi esterni a bassa potenza (corrente massima dispositivo attraverso le linee di alimentazione del bus USB, non deve superare i 500 mA per USB 2.0 e 900 mA per USB 3.0), il che elimina la necessità di alimentatori esterni.

Le interfacce wireless (wireless) consentono di allontanarsi dai cavi di comunicazione, il che è particolarmente importante per dispositivi di piccole dimensioni, per dimensioni e peso paragonabili ai cavi. Utilizzo di interfacce wireless onde elettromagnetiche raggi infrarossi (IrDA) e gamme di radiofrequenza (Bluetooth, wireless USB).

Un'interfaccia IrDA a infrarossi consente la comunicazione wireless tra due dispositivi a una distanza massima di 1 metro. Comunicazione a infrarossi - Connessione IR (infrarossi) - sicura per la salute, non provoca interferenze nella gamma di frequenze radio e garantisce la privacy della trasmissione. I raggi infrarossi non attraversano le pareti, quindi l'area di ricezione è limitata a una piccola area facilmente controllabile.

Bluetooth (blue tooth) è un'interfaccia radio a bassa potenza (potenza del trasmettitore solo circa 1 mW) per l'organizzazione di reti personali che forniscono la trasmissione di dati in tempo reale su brevi distanze. Ogni dispositivo Bluetooth dispone di un trasmettitore e ricevitore radio da 2,4 GHz. La portata dell'interfaccia radio è di circa 100 m — per coprire una casa standard.

Wireless USB (USB wireless) — un'interfaccia radio a corto raggio con larghezza di banda elevata: 480 Mbps a una distanza fino a 3 metri e 110 Mbps a una distanza fino a 10 metri. Funziona nella gamma di frequenza 3.1 — 10.6 GHz.

Un'interfaccia RS-232 (RS - Standard consigliato) collega due dispositivi: un computer e un dispositivo di trasferimento dati. La velocità di trasmissione è di 115 Kbps (massima), la distanza di trasmissione è di 15 m (massima), lo schema di connessione è punto-punto.

I segnali da questa interfaccia vengono trasmessi con una caduta di tensione di (3 … 15) V, pertanto la lunghezza della linea di comunicazione RS-232 è, di norma, limitata a una distanza di diversi metri a causa della bassa immunità ai disturbi. Viene utilizzato più spesso nelle apparecchiature industriali, in un personal computer viene utilizzato per collegare un manipolatore di tipo "mouse", un modem. L'interfaccia RS-232 generalmente non consente il collegamento in rete in quanto collega solo 2 dispositivi.

Figura 2 — Connettore RS-232 di tipo DB9

L'interfaccia RS-485 è un'interfaccia seriale industriale anti-jamming ad alta velocità ampiamente utilizzata per la trasmissione dati bidirezionale. Quasi tutti i computer moderni nel design industriale, la maggior parte dei sensori e delle unità contengono l'una o l'altra implementazione dell'interfaccia RS-485.

Per la trasmissione e la ricezione dei dati è sufficiente un doppino intrecciato (twisted pair).La trasmissione dei dati viene eseguita utilizzando segnali differenziali (il segnale originale va su un filo e la sua copia inversa è sull'altro). La differenza di tensione di una polarità tra i fili significa logica, la differenza dell'altra polarità significa zero.

In presenza di interferenze esterne, le prese nei fili adiacenti sono le stesse e poiché il segnale è la differenza di potenziale nei fili, il livello del segnale rimane invariato. Ciò fornisce un'elevata immunità al rumore e una lunghezza totale della linea di comunicazione fino a 1 km (e oltre con l'uso di dispositivi speciali - ripetitori).

L'interfaccia RS-485 fornisce lo scambio di dati tra più dispositivi su una linea di comunicazione a due fili in modalità half-duplex (la ricezione e la trasmissione passano attraverso una coppia di fili separati nel tempo). È ampiamente utilizzato nell'industria per creare sistemi di controllo di processo.

Ethernet (ether — ether) — tecnologia di trasmissione dati utilizzata nella maggior parte delle reti di computer locali. Questa interfaccia è basata sullo standard IEE 802.3 Mentre l'interfaccia RS-485 può essere considerata su una base uno a molti, Ethernet funziona su una base molti a molti.

Esistono diverse opzioni a seconda del bit rate e del mezzo di trasmissione:

• Ethernet: 10 Mbps

• Ethernet veloce: 100 Mbps

• Gigabit Ethernet: 1 Gbps

• 10 gigabit ethernet

Come mezzi di trasmissione vengono utilizzati cavo coassiale, doppino intrecciato (basso costo, elevata immunità ai disturbi) e cavo ottico (creazione di linee più lunghe e canali di comunicazione ad alta velocità).

Doppino intrecciato (twisted pair) — un tipo di cavo di comunicazione, è costituito da una o più coppie di fili isolati intrecciati insieme e ricoperti da una guaina di plastica.

Ad esempio, cavo FTP (doppino intrecciato — doppino intrecciato con schermatura in lamina comune e conduttore in rame per drenare le correnti indotte), 4 coppie (solido), categoria 5e (Figura 3). Il cavo è destinato all'installazione fissa in edifici, strutture e lavori in sistemi di cavi strutturati. Progettato per applicazioni che operano nella gamma di frequenze con un limite superiore di 100 MHz.

Figura 3 — doppino intrecciato: 1 — guaina esterna, 2 — schermo in lamina, 3 — filo di terra, 4 — pellicola protettiva, 5 — doppino intrecciato

A livello fisico, il protocollo Ethernet è implementato sotto forma di schede di rete incorporate in sistemi a microprocessore e hub che collegano i sistemi tra loro.

Le reti industriali (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) sono costruite sulla base di Ethernet, che competono con successo con le reti precedentemente sviluppate Profibus, DeviceNet, CANopen, ecc.