Чем отличаются последовательные и параллельные интерфейсы
Архитектура ЭВМ
Компоненты ПК
Интерфейсы
Мини блог
Самое читаемое
Введение
Параллельные и последовательные интерфейсы
Общая информация параллельных и последовательных интерфейсов
Для компьютеров и связанных с ним устройств наиболее распространенной является задача передачи дискретных данных, и, как правило, в значительных количествах (не один бит). Самый распространенный способ представления данных сигналами — двоичный: например, условно высокому (выше порога) уровню напряжения соответствует логическая единица, низкому — логический ноль (возможно и обратное представление). Для того чтобы передавать группу битов, используются два основных подхода к организации интерфейса:
На первый взгляд организация параллельного интерфейса проще и нагляднее и этот интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, с которой мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемопередающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы.
Скорость передачи данных интерфейсов
Теперь подробнее разберемся со скоростью передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на продолжительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно воспользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной продолжительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного она соответствует числу параллельных сигнальных цепей передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимой тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумной цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже очевидны выгоды последовательного интерфейса: для него, в отличие от параллельного интерфейса, затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность.
В параллельном интерфейсе существует явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно выставленные на одной стороне интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за разброса характеристик цепей. На время прохождения влияет длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть существенно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине набегает и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше используется параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп, для каждой из которых используются свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемопередающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах, не превышающих десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 нс сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20–25 см. Наносекунда — это период сигнала с частотой 1 ГГц.
Повышения пропускной способности параллельных интерфейсов
Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию DDR (Dual Data Rate). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса ATA (режимы UltraDMA) и прокатилась уже и по SCSI (Ultra160 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (Source Synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности (валидности) данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (пространственных) точках временные соотношения между сигналами данных и сигналами синхронизации будут различными.
Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем выше амплитуда сигнала, тем выше должна быть скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.
Повышения пропускной способности последовательных интерфейсов
В последовательном интерфейсе явления перекоса отсутствуют, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемопередающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности». Устраивать же параллельный оптический интерфейс — слишком дорогое удовольствие.
Вышеприведенные соображения объясняют современную тенденцию перехода на последовательный способ передачи данных.
Параллельные и последовательные интерфейсы
Дата добавления: 2013-12-23 ; просмотров: 6183 ; Нарушение авторских прав
Виды передаваемой информации
Информация (данные), которую следует передавать по интерфейсам, может быть разной природы:
• Аналоговая информация отображает процесс, непрерывный во времени и произвольный по величине (может принимать любое из бесконечного числа значений, пусть и в ограниченном интервале). Пример: звуки, которые мы слышим (в том числе и речь), представляют собой непрерывное изменение давления. Передача такой информации осуществляется, например, при подключении микрофона (устройства, преобразующего изменения давления в изменения электрического напряжения) к компьютеру.
• Дискретная информация отображает процесс конечным числом значений. Элементарная единица дискретной информации — 1 бит, который может принимать лишь одно из двух логических значений: 1 (истина, «да») или 0 (ложь, «нет»). Одним битом, к примеру, можно отобразить состояние кнопки мыши — нажата или нет. Дискретная двоичная информация является «родной» для большинства компьютеров, поскольку ее проще всего получать, обрабатывать, хранить и передавать. Дискретная информация может быть не только двоичной — интересны, например, и троичные системы; состояние одного трита можно трактовать как «да», «нет», «не знаю».
• Цифровая информация представляет собой последовательность (набор) чисел, имеющих ограниченную разрядность (и соответственно, конечное число возможных значений). Пример — оцифрованный звук, являющийся последовательностью отсчетов мгновенных значений давления, взятых через равные интервалы времени.
• Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита).
• Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей.
На первый взгляд, организация параллельного интерфейса проще и нагляднее (не надо выстраивать биты в очередь на передачу и собирать байты из принятой последовательности битов). Также, на первый взгляд, параллельный интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор был прост: на ближних расстояниях (максимум — до пары десятков метров) при требованиях к высокой скорости использовали параллельные интерфейсы, а на дальних расстояниях или в случае неприемлемости параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи.
Теперь точнее рассмотрим скорость передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже проглядывают преимущества последовательного интерфейса: для него затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность интерфейса, как в случае параллельного интерфейса.
В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп и для каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемно-передающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров.
Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1-traDMA) и прошла уже и по SCSI (Ultra160 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (географически) точках временные соотношения между сигналами данных и синхронизации будут различными.
Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большие требуются скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.
Приведенные соображения объясняют тенденцию перехода на последовательный способ передачи данных.
Последовательные и параллельные порты ввода-вывода
Для связи с периферийными устройствами к шине компьютера подключены одна или несколько микросхем контроллера ввода-вывода.
Первые IBM PC предоставляли
* встроенный порт для подключения клавиатуры;
до 4 (COM1 … COM4) последовательных портов (англ. COMmunication), обычно служащих для подключения сравнительно высокоскоростных коммуникационных устройств, использующих интерфейс RS-232, например модемов. Для них выделялись следующие ресурсы материнской платы:базовые порты ввода-вывода: 3F0..3FF (COM1), 2F0..2FF (COM2), 3E0..3EF (COM3) и 2E0..2EF (COM4)
номер IRQ: 7 (LPT1), 5 (LPT2)Изначально COM- и LPT-порты на материнской плате отсутствовали физически и реализовались дополнительной картой расширения, вставляемой в один из ISA-слотов расширения на материнской плате.
Последовательные порты, как правило, использовались для подключения устройств, которым требовалось быстро передать небольшой объём данных, например компьютерной мыши и внешнего модема, а параллельные — для принтера или сканера, для которых передача большого объёма не была критичной по времени. В дальнейшем поддержка последовательных и параллельных портов была интегрирована в чипсеты, реализующие логику материнской платы.
Недостаток интерфейсов RS-232 и IEEE 1284 — относительно малая скорость передачи данных, не удовлетворяющая растущие потребности в передаче данных между устройствами. Как следствие, появились новые стандарты интерфейсных шин USB и FireWire, которые были призваны заменить старые порты ввода-вывода.
Особенностью USB является то, что при подключении многих USB-устройств к единственному USB-порту используют т. н. концентраторы (USB-хабы), которые в свою очередь коммутируют между собой, увеличивая тем самым число USB-устройств, которые можно подключать. Такая топология шины USB называется «звезда» и включает в себя также корневой концентратор, который, как правило, находится в «южном мосте» материнской платы компьютера, к которому и подключаются все дочерние концентраторы (в частном случае сами USB-устройства).
Шина IEEE 1394 предусматривает передачу данных между устройствами со скоростями 100, 200, 400, 800 и 1600 Мбит/с и призвана обеспечивать комфортную работу с жёсткими дисками, цифровыми видео- и аудиоустройствами и другими скоростными внешними компонентами.
FireWire, как и USB, является последовательной шиной. Выбор последовательного интерфейса обусловлен тем, что для повышения скорости работы интерфейса необходимо повышать частоту его работы, а в параллельном интерфейсе это вызывает усиление наводок между параллельными жилами интерфейсного кабеля и требует сокращения его длины. Кроме того, кабель и разъёмы параллельных шин имеют большие габариты.
Связанные понятия
Компьютерная ши́на (англ. computer bus) в архитектуре компьютера — подсистема, служащая для передачи данных между функциональными блоками компьютера. В устройстве шины можно различить механический, электрический (физический) и логический (управляющий) уровни.
Топология типа общая ши́на, представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.
Интерфейсы параллельные и последовательные, синхронные и асинхронные
Объединение модулей МПС в единую систему и взаимодействие МП с внешними устройствами происходит с помощью интерфейса (от английского interface – сопрягать, согласовать).
Интерфейс – это комплекс линий и шин, сигналов и электронных схем, алгоритмов и программ, обеспечивающих обмен информацией между различными функциональными устройствами МПС и между самими МПС. Интерфейс – понятие обобщающее. Можно выделить:
Интерфейс выполняет очень важную роль в МПС. Производительность, надежность и эффективность использования МПС определяется не только характеристиками входящих в ее состав устройств, но в очень большой степени характеристиками интерфейсов, связывающих устройства МПС.
Интерфейс должен обеспечить:
p>Указанные требования удается реализовать при использовании стандартных интерфейсов МПС.
Стандартный интерфейс – это комплекс унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для взаимодействия различных функциональных устройств (модулей) МПС. Взаимодействие осуществляется с помощью сигналов, передаваемых посредством электрических (или оптических) цепей, называемых линиями интерфейса; набор линий, сгруппированных по функциональному назначению, принято называть шиной интерфейса. Унификация правил взаимодействия направлена на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости. Именно унификация и стандартизация лежат в основе построения интерфейсов.
Информационная совместимость достигается за счет единых требований, предъявляемых к структуре и составу линий интерфейса, алгоритмов взаимодействия, способам кодирования и форматам данных, управляющей и адресной информации, временными соотношениями между сигналами.
Электрическая совместимость означает согласованность параметров электрических и оптических сигналов, передаваемых средой интерфейса, соответствие логических состояний уровням сигналов, способности компонентов и характеристикам используемых линий передачи (длина, допустимая нагрузка и т.д.).
Конструктивная совместимость означает возможность механического соединения электрических цепей, а иногда и механической замены некоторых блоков; этот вид совместимости обеспечивается стандартизацией соединительных элементов (разъемов, штеккеров и т.п.), кабелей, конструкций плат и т.д.
Реализация стандартного интерфейса определяется документом (стандартом), его описывающим. Соблюдение стандарта обеспечивает совместимость изделий разных производителей и гарантирует получение заявленных характеристик интерфейса.
К основным характеристика интерфейса относят: функциональное назначение; тип организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена; режим обмена; количество линий интерфейса; число линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линий связи.
В настоящее время разработано и используется несколько десятков стандартных интерфейсов. Все это разнообразие можно разбить на две группы по выполняемым функциям:
Внешние интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:
1) видом связи. Различают:
2) пропускной способностью, т.е. количеством информации, передаваемой через интерфейс в единицу времени (измеряется в Кбит/с или Мбит/с);
3) максимально допустимым расстоянием между устройствами.
Конкретные значения этих параметров зависит от множества факторов, в частности, от информационной ширины интерфейса, т.е. числа разрядов передаваемых данных, способа синхронизации, среды интерфейса, организации линий интерфейса, совмещения или функционального разделения линий. Все эти факторы определяют организацию интерфейса.
Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельной или последовательной, асинхронной или синхронной), соединения устройств и использования линий.
Последовательная и параллельная передача информации. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельной форме, соответственно интерфейсы принято делить на последовательные и параллельные.
В последовательном интерфейсе передача данных осуществляется по одному информационному каналу. Этот канал может состоять из одной сигнальной линии и обратного провода (такие интерфейсы называют однопроводными). В общем случае число линий может быть и больше. По дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи и низкой стоимостью сети связи.
В параллельном интерфейсе передача сообщений выполняется последовательно квантами, содержащими m бит. Каждый квант передается одновременно по m сигнальным линиям. Величина m называется шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту. Наиболее распространены интерфейсы, в которых m=8 или m=16.
Синхронная и асинхронная передача информации. Взаимодействие передатчика и приемника предполагает согласование во времени моментов передачи и приема кванта информации. При синхронной передаче передатчик поддерживает постоянные интервалы между очередными квантами информации в процессе передачи всего сообщения. Приемник независимо или с помощью поступающих от передатчика управляющих сигналов обеспечивает прием квантов в темпе их выдачи.
Синхронный режим передачи при последовательном интерфейсе может быть реализован двумя способами:
1) с использованием внутренней синхронизации;
2) с использованием внешней синхронизации.
При использовании внутренней синхронизации передатчик в начале сеанса передачи сообщения передает заранее обусловленную последовательность бит, называемую символом синхронизации SYN. Переход линии интерфейса из состояния «1» в состояние «0» используется приемником для запуска внутреннего генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в передатчике; приемник распознает передаваемый символ SYN, после чего принимает символ сообщения, начиная с его первого бита. Этот процесс показан на рис. 1,а. Постоянство интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно работающими независимыми генераторами в передатчике и приемнике, которые должны обладать высокой стабильностью частоты.
Передачу называют асинхронной, если синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передаче каждого кванта информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт «обрамляется» стартовым и стоповыми битами, как показано на рис. 2. Стартовый бит изменяет состояние линии интерфейса с «1» на «0» и служит для запуска генератора в приемнике; стоповый бит переводит линию в исходное состояние и останавливает работу генератора. Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддерживается только в интервале передачи одного байта информации.
Рис.1. Синхронная передача данных: а) – при внутренней синхронизации; б) – при внешней синхронизации
Рис. 2. Асинхронная передача последовательных данных
Соединение устройств и организация линий интерфейса. Соединение между собой нескольких устройств выполняется посредством индивидуальных линий для каждой пары устройств (двухточечная схема) или общей для всех устройств среды интерфейса на основе разделения времени. Во втором случае для предотвращения конфликтных ситуаций, возникающих при попытках нескольких устройств одновременно использовать общую среду, выделяют специальную схему управления интерфейсом, называемую арбитром.
Организация линий интерфейса. Помимо деления линий на индивидуальные и коллективные, их принято делить по критерию возможного направления передачи на одно- и двунаправленные, а по критерию возможности совмещения передачи различных видов информации на полностью совмещенные, с частичным совмещением и полным разделением.
При изменении электрического потенциала сигнал распространяется по проводнику во всех направлениях одинаково (со скоростью света), поэтому термины «однонаправленная» и «двунаправленная» означают не направление распространения сигнала по линии, а право изменять потенциал на ней. Правом изменять потенциал линии обладает передатчик. Таким образом, если передатчики располагаются с обоих концов линии, то ее называют двунаправленной. Для устранения возможных конфликтов на линии выходные каскады передатчиков должны быть выполнены на логических элементах с тристабильным выходом или с открытым коллектором (открытым стоком).
Между центральным и периферийными устройствами (ПУ) необходимо передавать информацию различных типов: адреса, данные, сигналы управления. Если для передачи каждого вида информации предусматриваются отдельные шины, то их называют шинами с полным разделением. Такие шины во внешних интерфейсах применяются очень редко, так как обмен с ПУ имеет последовательный характер: например, вначале необходимо произвести адресацию, т.е. отключить от магистрали все ПУ, кроме одного, этому ПУ необходимо дать команду на выполнение определенных действий и лишь затем можно передать собственно данные. Совмещение передач различных видов информации по одной шине приводит к сокращению числа линий интерфейса, однако требует идентификации передаваемой информации с помощью специальных сигналов.
Среда интерфейса. Наиболее распространены в интерфейсах электрические сигналы. В последовательных интерфейсах используются однопроводный и двухпроводный методы передачи сигналов.
На рис. 3,а приведена схема соединений передатчика Пд и приемника Пр при однонаправленной однопроводной линии связи.
Рис. 3. Передача сигналов в последовательном интерфейсе:
а) – по однопроводной линии; б) – по двухпроводной линии
В однопроводной линии для передачи используется один сигнальный провод, напряжение на котором сравнивается в приемнике с напряжением провода «сигнальная земля», общим для всех сигнальных проводников. Этот способ построения линии наиболее прост, но имеет существенный недостаток: на информационный сигнал накладываются помехи в линии. Это ограничивает длину линии расстоянием всего несколько десятков метров.
Передача сигналов по двухпроводной электрической линии позволяет значительно ослабить влияние помех. Используется дифференциальный способ передачи (рис. 3,б). Применяется дифференциальный передатчик и дифференциальный приемник. Двухпроводная линия выполняется обычно в виде витой пары. Сигнал передатчика появляется на входе приемника в виде разностного напряжения, тогда как помехи в линии остаются синфазными. Благодаря этому дифференциальный приемник практически не воспринимает эти помехи. Длина линии связи при использовании этого метода передачи может составлять сотни метров и даже несколько километров.
Небольшое число линий последовательных интерфейсов позволяет легко реализовать гальванические развязки между передатчиками и приемниками. Гальваническая развязка позволяет исключить уравнительные токи по общим проводникам и тем самым уменьшить взаимовлияние отдельных устройств, обладающих разным энергопотреблением, она позволяет снизить помехи на линиях интерфейса и защитить схемы управления при выходе из строя силовых управляемых цепей. Гальваническая развязка реализуется либо на одном конце линии связи, либо на обоих концах. Обычно для этой цели используются оптроны.
В последнее время в интерфейсах все шире применяются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Для их реализации имеется большое количество элементной базы с высокой степенью готовности к применению. Большим преимуществом ВОЛС является невосприимчивость к электромагнитным помехам. Неметаллическая природа среды передачи данных обеспечивает гальваническую развязку между устройствами интерфейса. Пропускные способности ВОЛС значительно выше пропускных способностей цифровых интерфейсов с электрической природой сигналов. Главным недостатком ВОЛС является высокая цена кабельного и приемопередающего оборудования.
Другой разновидностью оптической среды передачи данных являются оптические атмосферные каналы. Они нашли широкое применение в интерфейсах с небольшой пропускной способностью, работающих на расстоянии до нескольких метров в пределах прямой видимости. В таких системах обычно применяются излучатели на инфракрасных светодиодах. Открытость среды передачи данных делает невозможной одновременную работу нескольких систем в пределах одного помещения, а также ставит качество сигнала в зависимость от состояния атмосферы. Подобные линии передачи данных нашли широкое применение в бытовой технике, где обеспечивают взаимодействие пультов управления с приборами, обмен данными между мобильными устройствами и персональным компьютером и т.п.
Еще один класс атмосферных оптических систем связи реализуется на лазерах и позволяет создавать двунаправленные линии связи на большие расстояния. Здесь достижимы очень высокие скорости обмена данными (до терабита в секунду). Недостатком этих систем является высокая чувствительность к состоянию атмосферы (задымление, туман, снег и т.д.).
Для передачи данных могут использоваться и радиоканалы. Диапазон расстояний от нескольких метров до практически бесконечности. Пропускная способность ограничена сверху несущей частотой. Радиосреда передачи данных используется последовательными однопроводными интерфейсами. Очевидно, обеспечивается гальваническая развязка устройств. Однако, себестоимость реализации и энергопотребление довольно высокие. Кроме того, как правило, требуется лицензирование использования радиоканала. С развитием сотовой связи появилась возможность использовать ее для реализации пользовательских систем передачи данных.
Статьи к прочтению:
Последовательный интерфейс
Похожие статьи:
В интерфейсах RS-422 и RS-485 устранены недостатки интерфейса RS-232, который широко используется в персональных компьютерах. В основе построения…
RS-232 – это название стандарта (RS – recommended standard – рекомендуемый стандарт, 232 – его номер), который был разработан в 60-х годах прошлого века…