Hardverska sučelja

Sučelje (interakcija) je veza između komponenti i sudionika u mikroprocesorskom sustavu.

V mikroprocesorski sustav uključuje: hardver, softver i ljude... Stoga se razlikuju sljedeće vrste sučelja:

• hardversko sučelje;

• softversko sučelje;

• korisničko sučelje.

Programsko sučelje koje pruža operativni sustav (ako postoji). Najčešća korisnička sučelja su grafičko sučelje (npr. radna površina računala s ikonama ili naredbenim gumbima u uređivaču Microsoft Office Word) i sučelje s joystickom, gdje navigacijom kroz izbornike biramo naredbu koja nam je potrebna (npr. mobilni telefoni , programabilni kontroleri) , koji je također vrsta GUI-ja.

Hardversko sučelje je sustav sabirnica, konektora, odgovarajućih uređaja, algoritama i protokola koji osiguravaju komunikaciju između svih dijelova mikroprocesorskog sustava. Performanse i pouzdanost sustava ovise o karakteristikama sučelja.

U ugrađenim mikroprocesorskim sustavima, hardversko sučelje osiguravaju CPU rasterećeni kontroleri.Kontroler To je specijalizirani mikro krug dizajniran za obavljanje funkcija nadzora i upravljanja. Upravljač upravlja radom uređaja, primjerice, tvrdim diskom, memorijom s izravnim pristupom, tipkovnicom i osigurava vezu ovog uređaja s ostalim sudionicima u MS-u.

Gume se kontroliraju mostovima... U složenim MS-ima, na primjer, kao što je osobno računalo, središnje mjesto zauzima «ChipSet» (ChipSet) - skup mostova i kontrolera. Čipset sadrži dva glavna čipa, koji se tradicionalno nazivaju južni most i sjeverni most (Slika 1). Sjeverni most služi sistemskoj sabirnici, memorijskoj sabirnici, AGP-u (ubrzani grafički port) i glavni je kontroler računala. Južni most upravlja radom s vanjskim uređajima (PCI sabirnica — I/O sabirnica za povezivanje perifernih uređaja).

Slika 1 — Organizacije za razmjenu podataka u osobnim računalima (PC)

Organizacija interakcije između procesora i vanjskih uređaja je najteža, zbog njihove velike raznolikosti.

Paralelna sučelja karakteriziraju to što koriste odvojene signalne linije za prijenos bitova i bitovi se prenose istovremeno. Klasično paralelno sučelje je LPT port.

Sučelje za serijski prijenos podataka koristi jednu signalnu liniju preko koje se bitovi informacija sekvencijalno prenose jedan za drugim.

Najjednostavnije serijsko sučelje, koje je postalo široko rasprostranjeno kako u računalima tako iu industrijskim sustavima, je RS-232 standard, koji je implementiran COM — portovima... U industrijskoj automatizaciji široko se koristi RS-485.

USB (Universal Serial Bus) sabirnica povezuje širok izbor perifernih uređaja s vašim računalom, uključujući mobilne telefone i potrošačku elektroniku.

Prva specifikacija sučelja naziva se USB 1.0, trenutno se koristi specifikacija USB 2.0, moderni uređaji povezani su na specifikaciju USB 3.0.

USB 2.0 standard sadrži četiri linije: prijem i prijenos podataka, +5 V napajanje i kućište. Uz njih, USB 3.0 dodaje još četiri komunikacijske linije (2 za prijem i dvije za prijenos) i kućište.

USB sabirnica ima veliku propusnost (USB 2.0 omogućuje maksimalnu brzinu prijenosa podataka do 480 Mbps, USB 3.0 — do 5,0 Gbps) i omogućuje ne samo prijenos podataka, već i napajanje vanjskih uređaja male snage (maksimalna struja potrošnja uređaja kroz strujne vodove USB sabirnice, ne smije prelaziti 500 mA za USB 2.0 i 900 mA za USB 3.0), što eliminira potrebu za vanjskim izvorima napajanja.

Bežična (bežična) sučelja omogućuju vam da se odmaknete od komunikacijskih kabela, što je posebno važno za uređaje male veličine, veličine i težine usporedive s kabelima. Korištenje bežičnih sučelja Elektromagnetski valovi infracrveni (IrDA) i radiofrekvencijski rasponi (Bluetooth, USB bežični).

Infracrveno IrDA sučelje omogućuje bežičnu komunikaciju između dva uređaja na udaljenosti do 1 metra. Infracrvena komunikacija - IR (infracrvena) veza - sigurna za zdravlje, ne uzrokuje smetnje u radiofrekvencijskom području i osigurava privatnost prijenosa. Infracrvene zrake ne prolaze kroz zidove, tako da je prijemni prostor ograničen na mali, lako kontrolirani prostor.

Bluetooth (plavi zub) je radio sučelje male snage (snaga odašiljača samo oko 1 mW) za organiziranje osobnih mreža koje omogućuju prijenos podataka u stvarnom vremenu na kratkim udaljenostima. Svaki Bluetooth uređaj ima radio odašiljač i prijemnik od 2,4 GHz. Domet radijskog sučelja je oko 100 m — za pokrivanje standardne kuće.

Bežični USB (USB bežični) — radio sučelje kratkog dometa s velikom propusnošću: 480 Mbps na udaljenosti do 3 metra i 110 Mbps na udaljenosti do 10 metara. Radi u frekvencijskom rasponu 3,1 — 10,6 GHz.

RS-232 (RS — preporučeni standard) sučelje povezuje dva uređaja — računalo i uređaj za prijenos podataka. Brzina prijenosa je 115 Kbps (maksimalno), udaljenost prijenosa je 15 m (maksimalno), shema povezivanja je točka-točka.

Signali s ovog sučelja prenose se padom napona od (3 … 15) V, stoga je duljina RS-232 komunikacijske linije u pravilu ograničena na udaljenost od nekoliko metara zbog niske otpornosti na smetnje. Najčešće se koristi u industrijskoj opremi, u osobnom računalu koristi se za povezivanje manipulatora tipa "miš", modema. RS-232 sučelje općenito ne dopušta umrežavanje jer povezuje samo 2 uređaja.

Slika 2 — RS-232 konektor tipa DB9

RS-485 sučelje široko je korišteno industrijsko serijsko sučelje velike brzine, protiv ometanja za dvosmjerni prijenos podataka. Gotovo sva moderna računala u industrijskom dizajnu, većina senzora i pogona sadrže jednu ili drugu implementaciju RS-485 sučelja.

Za prijenos i prijem podataka dovoljan je jedan upredeni par žica (upredena parica).Prijenos podataka provodi se pomoću diferencijalnih signala (izvorni signal ide na jednu žicu, a njegova obrnuta kopija na drugu.). Razlika napona jednog polariteta između žica znači logičnu jedinicu, razlika drugog polariteta znači nulu.

U prisutnosti vanjskih smetnji, odvojci u susjednim žicama su isti, a budući da je signal potencijalna razlika u žicama, razina signala ostaje nepromijenjena. To osigurava visoku otpornost na buku i ukupnu duljinu komunikacijske linije do 1 km (i više uz korištenje posebnih uređaja - repetitora).

RS-485 sučelje omogućuje razmjenu podataka između nekoliko uređaja preko dvožične komunikacijske linije u half-duplex modu (prijem i prijenos prolaze kroz jedan par vremenski odvojenih žica). Naširoko se koristi u industriji za stvaranje sustava upravljanja procesima.

Ethernet (ether — eter) — tehnologija prijenosa podataka koja se koristi u većini lokalnih računalnih mreža. Ovo se sučelje temelji na standardu IEE 802.3.Dok se RS-485 sučelje može smatrati na osnovi jedan-prema-više, Ethernet radi na osnovi više-prema-više.

Postoji nekoliko opcija ovisno o brzini prijenosa i prijenosnom mediju:

• Ethernet — 10 Mbps

• Brzi Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Kao prijenosni medij koriste se koaksijalni kabel, upredena parica (niska cijena, visoka otpornost na smetnje) i optički kabel (stvaranje dužih linija i komunikacijskih kanala velike brzine).

Upletena parica (upletena parica) — vrsta komunikacijskog kabela, jedan je ili više parova izoliranih žica upredenih zajedno i prekrivenih plastičnim omotačem.

Na primjer, FTP kabel (upredena parica — upredena parica sa zajedničkim folijskim oklopom i bakrenim vodičem za odvod induciranih struja), 4 parice (pune), kategorija 5e (slika 3). Kabel je namijenjen za stacionarnu ugradnju u zgrade, objekte i rad u strukturiranim kabelskim sustavima. Dizajniran za aplikacije koje rade u frekvencijskom rasponu s gornjom granicom od 100 MHz.

Slika 3 — upredena parica: 1 — vanjski omotač, 2 — folijski štit, 3 — odvodna žica, 4 — zaštitni film, 5 — upredena parica

Na fizičkoj razini, Ethernet protokol implementiran je u obliku mrežnih kartica ugrađenih u mikroprocesorske sustave i čvorišta koja međusobno povezuju sustave.

Na temelju Etherneta izgrađene su industrijske mreže (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) koje uspješno konkuriraju dosad razvijenim mrežama Profibus, DeviceNet, CANopen i dr.