11. Последовательные интерфейсы. Интерфейсы rs-232, rs-485, usb и ieee-1394.

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно.

1) Интерфейс RS-232. Используется в телекоммуникациях для передачи двоичных данных между оконечным оборудованием данных (DTE) и коммуникационным устройством (DCE), а также для связи друг с другом двух однотипных устройств.

Длина линии передачи – до 15 метров. Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому "0" соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической "1" отрицательное (от -5 до -15 В для передатчика). Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита.

Чаще всего используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, встраиваемых устройствах. Присутствует на несколько устаревших стационарных персональных компьютерах в виде COM-портов. В современных чаще всего доступен через дополнительный контроллер/преобразователь (как правило, RS-232 не ставят на портативных компьютерах - на ноутбуках, нетбуках, КПК и т. п.).

Данные передаются пакетами по одному байту (обычно 8 бит). Вначале передаётся стартовый бит, противоположной полярности состоянию незанятой линии, после чего передаётся непосредственно кадр полезной информации, от 5 до 8 бит.

Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит – стоповый бит (состояние незанятой линии), говорящий о том, что передача завершена. Возможно 1, 1,5 или 2 стоповых бита. В конце байта, перед стоп-битом, может передаваться бит чётности (parity bit) для контроля качества передачи.

Н азначение выводов 9-контактного разъема COM-порта:

Контакт	Сигнал	Направление	Описание
1	CD	Вход	Обнаружена несущая
2	RXD	Вход	Принимаемые данные
3	TXD	Выход	Передаваемые данные
4	DTR	Выход	Хост готов
5	GND	–	Общий провод
6	DSR	Вход	Устройство готово
7	RTS	Выход	Хост готов к передаче
8	CTS	Вход	Устройство готово к приему
9	RI	Вход	Обнаружен вызов

2) RS-485 – стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина». Интерфейс является полудуплексным: узел не может одновременно и принимать, и передавать данные.

Для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности – ноль. Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.

Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485:

- До 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети;

- Максимальная длина одного сегмента сети: 1200 метров.

- Только один передатчик активный.

- Максимальное количество узлов в сети – 256 с учётом магистральных усилителей.

Скорости обмена данными (длина линии связи): 62,5 кбит/с (1200 м); 375 кбит/с (300 м); 500 кбит/с; 1000 кбит/с; 2400 кбит/с (100 м); 10000 кбит/с (10 м).

3 ) Интерфейс USB – универсальная последовательная шина, обеспечивающая высокоскоростной обмен информацией между хост-системой и периферийными устройствами.

Используется топология дерева. В вершине данного дерева располагается хост-компьютер.

Обмен по интерфейсу USB всегда происходит через хост-машину.

Концентраторы (hub) – некоторые интеллектуальные устройства, не только обеспечивают функции передачи, но и некоторые функции управления потоком данных.

О бмен инициируется хостом. По шине USB нельзя объединять более 1 активного устройства.

Сами устройство и программное обеспечение разбиты на 3 уровня: 

Функции USB – это устройства, которые способны принимать или передавать данные по шине.

Каждое устройство при подключении к шине USB автоматически получает свой уникальный номер, который и составляет адрес данного устройства. Логически, каждое устройство USB представляет собой набор независимых точек, которые ещё называются EP – end point. С ними Host-машина выполняет обмен информацией.

Каждая точка имеет свой номер и описывается следующими параметрами:

- Требуемая частота доступа к данному устройству (точке)

- Допустимые задержки обслуживания

- Требуемая полоса пропускания канала.

- Максимальные размеры принимаемых и передаваемых пакетов

- Тип передачи и направление передачи.

Последний параметр используется при передаче массивов информации.

Все обмены (транзакции) с устройствами USB состоят из 2-х, 3-х пакетов. Каждая транзакция начинается по инициативе host-контроллера (host-машины), которая посылает специальный пакет-маркер (token packet), данный пакет описывает тип, направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки.

В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемой точкой и хостом. Если адресуемое устройство распознает свой адрес, то оно готовится к обмену. Источник данных передает информацию, то есть передает некоторый пакет данных или выдает уведомление о том, что оно не будет производить обмен. После успешного приема пакета приемник посылает специальный пакет квитирования или подтверждения (handshake packet). Далее контроллер циклически формирует кадры, в которые укладываются все запланированные транзакции. Здесь каждый кадр дополнительно начинается со стартовой посылки SOF и заканчивается специальным сигналом EOF.

В каждом кадре может быть выполнено несколько транзакций, число которых зависит от длины поля данных. Для обнаружения ошибок каждый пакет имеет свое поле CRC, в основном эти поля дают возможность обнаруживать 1 или 2 ошибки, при её обнаружении возможна повторная передача (до 3-х раз).

Физическая среда передачи – 4-жильный провод («земля», питание, дифференциальная пара). Скорость передачи: USB1.0 – 12 МБ/с, USB2.0 – 60 МБ/c.

Максимальная длина кабеля до 5 метров. Скорость передачи зависит от длины кабеля, его экранирования.

4) IEEE-1394 (FireWire). Данный интерфейс – высокопроизводительная последовательная шина, которая позволяет объединять в сеть более 1 активного устройства. Данный интерфейс разрабатывался как дешевая альтернатива интерфейсу SCSI и предназначался для построения домашних сетей.

Основные отличительные особенности:

- многофункциональность (количество подключаемых устройств до 64)

- высокая скорость обмена (до 2,1 ГБ/с). Такая скорость достигается при использовании оптоволоконного кабеля.

- расширенный режим Plug And Play

- наличие питающего провода и, следовательно, независимость от наличия у устройства собственного питания.

- возможность передавать в реальном масштабе времени видео- и аудиоданные.

- гибкая топология (звезда, дерево, цепочка)

- низкая цена кабеля и компонентов.

Физическая среда: 6-проводный кабель, питание 8-40 В, токи до 1.5 А. Две дифференциальные пары – на прием и на передачу.

Стандарт IEEE-1394 определяет 2 категории шин (кабельные шины и кросс-шины). Под кросс-шинами понимается параллельный интерфейс, который обеспечивает внутренний интерфейс устройств. Кабельная шина – это обычная шина, которая обеспечивает взаимодействие нескольких устройств друг с другом.

Также для данного интерфейса предусмотрено использование так называемых мостов, которые обеспечивают соединение шин между собой. Мост – некоторое интеллектуальное устройство, занимающееся некоторыми функциями управления.

Данный протокол реализуется на 3-х уровнях:

1 уровень: уровень транзакций – на этом уровне выполняется преобразование пакетов в данные, и наоборот.

2 уровень: уровень связи – данный уровень формирует пакеты из данных физического уровня и наоборот.

3 уровень: физический уровень – занимается приемом и передачей сигналов на шину.

Сейчас контроллер данного интерфейса встраивается в современные чип сеты, так же есть специальные платы расширения. Появляются новые устройства, использующие этот интерфейс.