Способы последовательной передачи последовательные интерфейсы

Компьютерная Энциклопедия

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:

• параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени. 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 (COM-порт), последовательные шины USB и FireWire, PCI Express, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

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.

Источник

Интерфейсы передачи информации

То что вы видите на мониторе — интерфейс. Клавиатура с мышкой — интерфейс. И даже окно регистратуры в больнице — это тоже интерфейс.

Интерфейс (англ. interface) — общая граница между двумя функциональными объектами, требования к которой определяются стандартом; . // Wikipedia

Во встраиваемых системах чаще всего под словом «интерфейс» понимают физический блок МК отвечающий за передачу данных. Они могут быть последовательными или параллельными, синхронными или асинхронными, дифференциальными или обычными.

Параллельные и последовательные интерфейсы

Допустим нам нужно переслать 1 байт (8 бит) информации. Как это сделать? Можно выделить под каждый бит по одной ножке МК (линии), тогда для передачи потребуется 8 ножек, плюс одна, которая будет говорить принимающей стороне что передача закончена и нужно считать входной сигнал. Такой интерфейс называется параллельным (англ. parallel): группа битов передаётся одновременно за один квант времени. К таким интерфейсам относится PCI (32 линии) и её можно встретить в LCD знакогенерирующих индикаторах (например WINSATR).

Можно поступить по другому и передавать данные по одной линии, кодируя, например, 1 как высокий уровень сигнала (3,3 В), а 0 как низкий (0 В). В таком случае потребует всего одна ножка МК для передачи и одна что бы сообщать когда этот сигнал считывать. Такие интерфейсы называют последовательными (англ. serial): N битов передаётся по одному за N-квантов времени. Примером последовательного интерфейса — USART.

Параллельный интерфейс, как не сложно догадаться, быстрее в N-раз, однако требует в N-раз больше линий. В микроконтроллерах чаще всего присутствуют только последовательные интерфейсы (периферийные блоки, которые делают всё автоматически), к ним относятся SPI, I 2 C, I 2 S, CAN, USART и USB. Некоторые из них мы рассмотрим подробнее в этом курсе.

Синхронные и асинхронные интерфейсы

Примеры которые мы привели выше были синхронными, они так называются потому что используют отдельный вывод, который сообщает принимающей стороне когда считывать данные. К ним относится SPI и USART. Однако, USART (с англ. Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) как не сложно догадаться может работать в асинхронном режиме. Если время передачи бита известно, то сообщать когда именно нужно считывать бит нет необходимости. Однако нужно как-то различать между собой принятые байты. С этой целью в последовательность высоких и низких уровней на шине внедряют задержки (старт и стоп-биты). Они отличаются по длительности от обычных 0 и 1 , благодаря чему всегда можно определить где начало, а где конец посылки. Асинхронная версия USART называется UART.

Кодировка битов может быть осуществлена не только как 1 — высокий уровень и 0 — низкий уровень. В интерфейсе 1-Wire 1 и 0 кодируется одновременно и низким и высоким уровнем, отличается лишь их заполнение временного отрезка. Вы увидите это дальше в курсе, когда мы будем разбираться с датчиком температуры.

В интерфейсе SPI напротив, считывание сигнала происходит только по команде тактирующей линии.

У вас наверняка возникает философский вопрос, — «Зачем есть капусту, когда есть картошка?» Может показаться, что линия с тактовым сигналом излишня. Да. Но это не всегда так. Линия с тактовым сигналом делает интерфейс независимым от стабильности тактирующих систем узлов. Если погрешность будет слишком велика, то у устройств с асинхронным интерфейсом может произойти рассогласование. В случае с синхронным, тактовый сигнал задаётся передающим устройством (не совсем корректно, но пока пусть будет так), поэтому после первого бита линию можно повесить, условно, на полчаса без каких либо последствий и продолжить передачу после этого.

Дифференциальные интерфейсы

USB является дифференциальным последовательным интерфейсом. При этом он довольно требователен к стабильности частоты и именно по этой причине в нашем устройстве не реализована на физическом уровне возможность подключения часов к компьютеру; требуется внешний высокочастотный кварцевый резонатор 1 .

Дифференциальным он называется потому, что сигнал передаётся сразу по двум линиям, причём если на одной линии выставлена 1 , то на второй должен быть выставлен 0 и наоборот.

Опять же вопрос, зачем два провода, когда можно использовать один? UART вроде хорошо работал на одной линии. На самом деле нет. UART хорошо работает на низких скоростях. При повышении частоты передачи начинают влиять паразитные ёмкости и индуктивности и сигнал просто теряется. Дифф-пара позволяет понизить напряжение, уменьшить электро-магнитное излучение, уменьшить потребление и повысить устойчивость приёма сигнала.

Выбирать дифференциальную пару, конечно, нужно не только в тех случаях, где требуется высокая скорость передачи, но и там, где «шумная» среда. В электронике автомобиля используется другой интерфейс, под названием CAN. Скорость передачи данных там не высокая, за-то она обеспечивает хороший приём в условиях жёсткой эксплуатации.

К слову, проводной интернет (Ethernet) так же построен на дифференциальной паре.

Режим работы

Некоторые интерфейсы могут поддерживать несколько режимов работы, другие напротив способны работать только в одном определённом.

Если устройство использует два канала, один для приёма и второй для передачи, и при этом обмен данными может происходить одновременно, то такой режим работы называют полным дуплексом (англ. full duplex). Ваш мобильный телефон работает в таком режиме: вы можете слушать человека и говорить ему что-либо одновременно. Если используется два канала, но передача и приём может производится только одним устройством в один момент времени, то такой режим работы называется полудуплексным (англ. half-duplex). И наконец, если используется один канал, следовательно общение может проходить только разделённое во времени, то такой режим называется симплексным (англ. simplex).

Свойство шины

Каждый интерфейс предъявляет свои требования к шине данных. В таких интерфейсах как UART может быть только два устройства (принимающее и отправляющее). При этом с точки зрения иерархии нет никакой разницы, оба устройства равнозначны. В интерфейсе SPI устройств может быть несколько, но только одно (на самом деле не всегда, но это исключение) является главным, т.е. ведущим или мастером (англ. master). Все остальные устройства являются ведомыми или подчинёнными (англ. slave). При этом SPI требует подводить к каждому устройству линию выбора (англ. chip select). Общение ведётся только с тем устройством, на линии которого присутствует сигнал активации.

Все ножки вышеописанных интерфейсов настраиваются как двухтактный выход. Но не все интерфейсы можно использовать подобным образом. Интерфейсы 1-Wire и I 2 C вместо линии выбора используют специальную команду с адресом устройства. Выгода очевидна — на линию можно повесить сколько угодно (есть ограничения) устройств, не вводя новые линии. Однако что будет, если два устройства захотят использовать шину одновременно? Непременно сложится ситуация, когда одно устройство подтянет линию к земле, а другое к питанию. Такое поведение, мягко говоря, не желательно и называется коротким замыканием (англ. short circuit).

То самое чувство, когда микросхема испустила дух, выпустила магический дым.

Во избежание таких ситуаций, интерфейс требует, что бы: линия была подтянула внешним резистором к питанию, а устройства были настроены как вход с открытым стоком. Когда устройству нужно передать 1 оно ничего не делает с линией, а когда нужно передать 0 , оно подтягивает линию к земле. В таком случае, если произойдёт коллизия и два устройства одновременно начнут работать с линией, магический дым останется внутри микросхем.

Сравнение некоторых интерфейсов

Название	Количество линий, шт	Длина линии, м	Скорость, бит\с
1-Wire	Simplex	до 300 м	15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с
SPI	Duplex	до 5 м	> 100 МГц
I 2 C	Simplex	3 м	425 КБ/c
UART	Duplex	5 м	> 11 520 байт/с
CAN	Simplex	до 5000	10 кбит/с — 1 Мбит/с
USB 2.0	Duplex	5	60 МБ/c

Все данные в таблице — ориентировочные, многое зависит от скорости передачи, напряжения, среды распространения и т.д.

Источник