3168

Таблица 3.5

Итак, в разъемах USB 3.0 имеются дополнительные контакты, из-за которых кабель стал несколько толще – это четыре новые линии связи. Но эти контакты находятся в другом (глубинном – см. ниже) контактном ряду, что обеспечивает совместимость usb 2 и usb 3. Достаточно взглянуть на разъем, чтобы даже визуально определить его принадлежность к стандарту. При этом следует учесть, что обратная совместимость usb 3.0 присутствует в любом гаджете – при подключении новейшего устройства вы можете быть уверены, что оно с вашим старым разъемом будет работать и передавать данные. Однако полной обратной совместимости не достигнуто, поэтому кратко перечисляем исходы возможных сочетаний:

USB 2.0 устройство с разъёмом USB типа A, например, "флешку", можно подключить к USB 3.0 контроллеру, и оно будет там работать.

USB 2.0 устройство с разъёмом USB типа B, например, принтер, можно подключить к USB 3.0 контроллеру стандартным кабелем USB 2.0 A<->B, и оно будет там работать, разъёмы на кабеле просто не достанут до отвечающих за USB 3.0 контактов.

USB 3.0 устройство с разъёмом USB типа A можно подключить к контроллеру USB 2.0, и оно должно там работать в режимах USB 2.0.

USB 3.0 устройство не будет работать с контроллером USB 1.1.

Кабель USB 3.0 типа B невозможно подключить к разъёму USB 2.0, разъёмы старого типа недостаточно глубоки для него.

Критика конструктивного и алгоритмического исполнения интерфейса

USB

Разъёмы Mini и особенно Micro USB вследствие конструктивных просчётов производителя со временем разбалтываются, начинают терять контакт и не имеют достаточно надёжного крепления к печатной плате, из-за чего при интенсивной эксплуатации могут быть полностью или частично повреждены. В некоторых случаях гнезда отрываются, что может привести к необходимости замены платы или даже приобретения нового устройства, в связи с невозможностью нормального восстановления оторванных печатных дорожек. Данный недостаток наиболее проявляется в малогабаритных устройствах, например, в мобильных телефонах, планшетных компьютерах, электронных устройствах для чтения и карманных цифровых проигрывателях.

Протокол требует от оконечного устройства поддержания достаточно сложного алгоритмического стека как для непосредственно обмена по шине, так и для поддержания

80

сопутствующих функций типа инициализации или ответов на служебные сообщения. Ввиду своей сложности и разнообразности, устройства зачастую аппаратно выполняют лишь базовые уровни протокола, оставляя верхние на откуп программному коду. Это приводит к заметным непроизводительным затратам программной памяти и времени, а также содержит угрозу ошибок и попыток избыточно упростить программный код в ущерб соответствию стандарту.

Коды производителя и номер устройства выдаются лишь членам сообщества после бюрократической процедуры. Это ограничивает доступность шины для мелких производителей и независимых разработчиков. Свободно доступные коды для устройств, реализующих стандартные функциональности (напр. порт обмена, устройство памяти или ау- дио-устройство), создатели стандарта не предоставляют.

Несмотря на заявленную универсальность, устройства, даже принадлежащие стандартным классам, большей частью требуют программной поддержки и отдельных драйверов на хосте. Так, современная операционная система Windows при подключении внешнего СOM-порта или GPS-навигатора (которые относятся к одному стандартному классу коммуникационных устройств), требует для каждого из устройств отдельного личного драйвера. Это налагает на производителей отдельные обязанности по созданию и, возможно, подписыванию драйверов и содержит потенциальную опасность неработоспособности устройства на операционной системе другой версии.

В августе 2014 года была обнародована уязвимость устройств USB, которая позволяет с определённой лёгкостью изменять микропрограмму микросхемы, отвечающую за взаимодействие с компьютером, записывая в неё вредоносный код. Так как через USB можно подключить множество устройств, то вредоносная программа может, имитируя клавиатуру, произвести необходимые действия за пользователя на заражаемом компьютере, а имитируя сетевое устройство, изменить сетевые настройки таким образом, что пользователь будет просматривать сайты интернет через подконтрольные злоумышленнику промежуточные серверы (Фарминг). Кроме того, такой вирус может скопировать себя и на другие устройства USB, подключённые в данный момент к компьютеру, заражая всё новые USB устройства (веб-камеры, клавиатуры, флеш-карты и др.).

Шина USB строго ориентирована, поэтому соединение двух компьютеров требует дополнительного оборудования. Соединение оборудования без компьютера, например, принтера и сканера или же фотоаппарата и принтера, было определено стандартом USB OTG, ранее же эти реализации были завязаны на конкретного производителя.

3.9. Варианты и сравнительный анализ локальных сетей для выбора последовательных интерфейсов

Теперь перейдем к выбору интерфейсных модулей. В состав 8-разрядных МК различных фирм-производителей входят следующие модули контроллеров последовательных интерфейсов:

•модуль универсального последовательного интерфейса USI (Universal Serial Interface); входит в состав МК семейства AVR фирмы «Atmel»; он может поддерживать протоколы асинхронного обмена для интерфейсов RS-232, RS-422 и RS-485, а также синхронные протоколы интерфейсов SPI и I2C;

•модуль универсального асинхронного интерфейса UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter); поддерживает протоколы асинхронного обмена интерфейсов RS232, RS-422 и RS-485. Не все производители МК используют термин UART для обозначения типа модуля контроллера последовательного обмена – см. SCI;

•модуль универсального асинхронного интерфейса SCI (Serial Communication Interface); характерен для МК фирмы «Motorola»; входит в состав 8-разрядных МК се-

81

мейств НС05, НС11 и НС08; является функциональным аналогом модулей типа UART, т. е. поддерживает протоколы асинхронного обмена для интерфейсов RS-232, RS-422 и RS-485;

•модуль синхронного последовательного интерфейса SPI (Serial Peripheral Interface); поддерживает протокол синхронного обмена в стандарте SPI; интерфейс SPI был предложен фирмой «Motorola», соответственно контроллер SPI входит в состав большого числа моделей МК семейств НС05, НС11 и НС08. В МК других производителей протокол SPI обычно реализуется в качестве альтернативного одним из модулей контроллеров последовательных интерфейсов;

•модуль синхронного последовательного интерфейса I2C (Inter Integrated Circuit); входит в состав 8-разрядных МК фирмы «Philips» и «MicroCHIP»; следует заметить, что для МК «MicroCHIP» характерна реализация аппаратными средствами одного и того же модуля двух протоколов – SPI и I2C. Его аналогами являются SMBus и TWI (фирмы Atmel);

•модуль контроллера CAN (Control Aria Network); присутствует в продуктовых линейках всех производителей, в частности в 8-разрядных МК семейства НС08 фирмы «Motorola», МК семейства С500 фирмы «Infineon», семейства 89 фирмы «Philips», семейства ATmega фирмы Atmel; поддерживает стандартные протоколы обмена CAN-сетей;

•модуль контроллера USB (Universal Serial Bus); поддерживает стандарт периферийного интерфейса вычислительной техники USB.

Следует заметить, что одноименные модули контроллеров последовательных интерфейсов даже одной фирмы-производителя имеют отличия в реализации для разных семейств МК. Так, аппаратные средства контроллера SCI в составе МК семейства НС08 диагностируют большее количество ошибок на линии, чем одноименные контроллеры в составе семейства НС05. И естественно, отличаются одноименные модули в МК различных фирм. Однако эти отличия преимущественно сводятся к различию регистров специальных функций, которые обслуживают модуль, и в меньшей степени затрагивают алгоритмы функционирования одноименных модулей.

Рассмотрим ситуацию с блоками USB-интерфейса (см. табл. 3.6, составленную по материалам производителей).

Таблица 3.6

82

Продолжение табл. 3.6

83

Продолжение табл. 3.6

Здесь LS (Low Speed) – скорость обмена 1,5 Мбит/с; FS (Full Speed) – 12 Мбит/с; высокая скорость (HS - 480 Мбит/с) не поддерживается; "функция" – это логически законченное устройств, выполняющее какую-либо специфическую функцию.

Видно, что Intel и MicroCHIP производят МК с ведомыми модулями USB (функциями), а Atmel и TI – с хабами, позволяющими управлять четырьмя нижестоящими устройствами. Наблюдается переход от МК с низкоскоростным обменом к среднескоростным (FS), соответственно переход на протокол USB 2.0, а также рост количества обслуживаемых устройств и расширение других возможностей МК.

Что касается интерфейсов для шины CAN, то они ныне также присутствуют в продуктовых линейках всех производителей. В частности, разработчики фирмы MicroCHIP

ввели в серию PIC модели PIC18C658, PIC18C858, PIC18F2450, PIC18F2550, PIC18F2480, PIC18F2580, PIC18F2680, PIC18F4450, PIC18F4480, PIC18F4550, PIC18F4580, PIC18F4585, PIC18F4680.

На рис. 3.49 видно, что в моделях PIC18Cxx8 физические уровни сигналов, характерные для CAN BUS, получают с помощью отдельных трансиверов. Контроллеры, не имеющие CAN-интерфейса, сопрягают с шиной через модуль MCP2510 и трансивер.

Рис. 3.49

Интерфейс I2C также введен в состав множества моделей МК различных производителей. Его исполнение с возможностью работы как в ведущем, так и ведомом режиме обычно поддерживается специальным модулем (например, модуль последовательного порта в МК 89С52 фирмы «Philips»). Но если реализуется только ведомый режим I2C, то обычно он успешно сочетается с SPI (например, в МК PIC16 от «MicroCHIP»): настройка одного и того же модуля на один из протоколов осуществляется путем инициализации.

Таким образом, разработчик МКСУ имеет возможность выбрать для МК верхнего уровня своей системы контроллер с тем интерфейсом, который принят для построения СУ следующего уровня (РТК, АСУТП). В настоящее время наиболее распро-

84

страненным становится интерфейс CAN. Этому способствует как его помехоустойчивость, так и деятельность ассоциации CiA (CAN in Automation) по его популяризации.

Для сети на нижнем уровне обычно применяют интерфейсы RS-232C, RS-485, I2C, CAN.

Особенно широко продолжает использоваться протокол RS-485, предусматривающий магистральную связь с одним ведущим по дифференциальной паре. Аппаратно, сложность использования RS-485 состоит в необходимости дополнять МК с узлом UART трансивером, формирующим парафазный сигнал (например, от фирмы MAXIM).

Использование I2C, как представляется, возможно при незначительном уровне помех, например, в объектах малой мощности. Применение CAN-контроллеров, сложных, но помехоустойчивых, также не исключается, но МК в основном не оснащены двумя каналами CAN, поэтому создать двухъярусную СУ только на этом протоколе невозможно.

Таким образом, разработчик МКСУ имеет возможность выбрать для двухъярусной МКСУ следующие комбинации интерфейсов (верхний – нижний уровни):

USB – RS-485 (рекомендуют разработчики с форума Roboclub);

USB – CAN:

USB – I2C;

CAN – I2C;

SPI – I2C и другие.

Выбор здесь, помимо реализации перечисленных выше требований, определяется наличием в сопрягаемых МК модулей нужного состава для реализации непосредственно функций управления и опроса периферии объекта, а также экономико-конструктивными условиями.

85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задачей пособия было формирование у студентов упорядоченной системы знаний в области анализа и синтеза управляющих ЭВМ и их подсистем:

усвоение функционально-структурного подхода к синтезу систем на базе управляющих ЭВМ;

изучение функционального состава, характеристик и способов применения современных микропроцессорных изделий и узлов;

изучение методов анализа и выбора соответствующего схемотехнического исполнения системы управления.

Входе изучения курса от студента требовалось выполнить большой объем самостоятельной работы как по изучению материалов самого пособия, так и по выполнению дополнительных заданий. Выполнение этой работы позволит использовать полученные знания при изучении последующих дисциплин специальности «Управление в технических системах»: «Локальные системы управления», «Информационные сети и телекоммуникации», «Адаптивные системы управления» и при выполнении выпускных квалификационных работ.

87

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Хартов, В.Я. Микропроцессорные системы: учеб. пособие для вузов. – 2 изд. / В.Я. Хартов; М.: Академия, 2014.

2.Микропроцессорные системы: учеб. пособие для вузов / Е.К. Александров [и др.]; под общ. ред. Д.В. Пузанкова. СПб.: Политехника, 2002.

3.Герасимов, М.И. Микропроцессорные устройства управления РТС: учеб. пособие / М.И. Герасимов, Д.А. Ефремов. Воронеж: ВГТУ, 2011. Ч. 1.

4.Герасимов, М.И. Микропроцессорные устройства управления РТС: учеб. пособие / М.И. Герасимов; Воронеж: ВГТУ, 2012. Ч. 3.

5.Чертежи схем: учеб. пособие / М.И. Герасимов, Д.А. Ефремов, Е.К. Лахина, C.C. Ревнев, В.Н. Семыкин, И.В. Ткачев. Воронеж: ВГТУ, 2007.

6.Рюмик, С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 1 / С.М. Рюмик. М.: Додэка_XXI, 2010. Доступ: http://www.dodeca.ru/files/pdf/33085.pdf

7.Рюмик, С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С.М. Рюмик. М.: Додэка_XXI, 2011.

8.Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «ATMEL» / А.В. Евстифеев; М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004.

9.Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы «ATMEL» / А.В. Евстифеев; М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002.

10.Шагурин И. И. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры Motorola: Справочник / И.И. Шагурин; М: Горячая линия-Телеком, 2004.

11.Яценков В.С. Микроконтроллеры Microchip: Практическое руководство. - 2-е изд. испр. и дополн. / В.С. Яценков; М.: Горячая линия-Телеком, 2005.

12.Катцен, Сид. PIC-микроконтроллеры. Полное руководство / Сид Катцен. М.: ДодэкаXXI, 2011.

13.Андрэ Ф. Микроконтроллеры семейства SX фирмы «Scenix» / пep. с фр.: / Ф. Андрэ; М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002.

14.Silicon Labs. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.cec-mc.ru/news/novosti- elektroniki/2426/

15.Зайцев, И. Ramtron: новые продукты с FRAM памятью / Илья Зайцев. Компоненты и технологии №2, 2009. Режим доступа: http://www.kit-e.ru/articles/memory/2009_02_52.php.

16.ATxmega16A4, ATxmega32A4, ATxmega64A4, ATxmega128A4. 8/16-битные микроконтроллеры AVR XMEGA. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr_xmega/ATxmega16A4_32A4_64A4_128A4.htm

17.Руководство по 8-битным AVR-микроконтроллерам XMEGA A Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ doc/micros/avr/arh_xmega_a/index.htm.

18.Гук, М. Интерфейсы ПК: справочник / М. Гук. СПб.: ПитерКом, 1999.

19.Энциклопедия АСУТП [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bookasutp.ru/Chapter2_3.aspx

20.Семенов, Б.Ю. Шина I2C в радиотехнических конструкциях / Б.Ю. Семенов. М.: СОЛОНПресс, 2004.

21.Голов А.А. Общие положения и введение в логику работы шины I2C: практические рекомендации / А.А. Голов. М.: КТЦ-МК, 1997.

22.Подробное описание интерфейса I2C [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.radiohlam.ru/teory/I2C.htm.

23.Герасимов, М.И. CAN как шина, сеть, ассоциация пользователей / М.И. Герасимов, Г.В. Аракелян, С.В. Смирнов // Вычислительные машины, автоматика и робототехника: Материалы науч.-техн. конф. студентов и молодых ученых. Воронеж: ВГТУ, 2005.

24.CAN на пороге нового столетия: CAN Application Layer (CAL) [Электронный ресурс].

Режим доступа: datamicro.ru›library/library_dm/article_can-new…3

88

25.Автомобильная и промышленная электроника. CAN индикатор температуры двигателя для автомобилей LADA [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.apel.ru/ftpgetfile.php?id=106

26.Еременко, М. Автомобильный стандарт LIN и микроконтроллеры для его реализации [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://catalog.gaw.ru/index.php?id=1530&page=document

27.Интерфейс 1-wire [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://cxem.net/comp/comp53.php

28.The 1394 Trade Association [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://1394ta.org/

29.Технический форум по робототехнике [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://roboforum.ru/

30.Ресурсы Интернета – сайты фирм. Режим доступа: http://www.Microchip.com, http://atmel.ru, http://www.ubicom.ru, http://www.maxim-ic.com и др.

89