Лекция 9 - Интерфейсы (rs 232)

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

Интерфейс это устройство, которое обеспечивает обмен информацией между блоками информационной системы.

Стандартизация интерфейса обеспечивает реализацию КТС АСУ ТП самых различных конфигураций путем изменения ка­бельных соединений между устройствами КТС, путем генерирова­ния соответствующих программ ввода - вывода.

Стандартизация интерфейса предполагает в общем случае вы­деление устройств-источников (И), передающих информацию, уст­ройств-приемников (П), воспринимающих эту информацию, и уст­ройств-контроллеров (К), решающих, какой из источников может передавать, а какой из приемников должен принимать информа­цию. Наряду с функциями управления обменом информации конт­роллер сам может быть и приемником и источником.

Соединение устройств осуществляется линиями связи. Линии, сгруппированные по функциональному признаку или назначению, образуют шины интерфейса. Совокупность шин, т. е. всех линий, называют магистралью.

Структура интерфейса определяется топологией связываемых им устройств и поэтому различают радиальную, магистральную и смешанную структуры интерфейса.

В интерфейсах с радиальной структурой каждое из устройств П или И связано с центральным контроллером (концентратором) посредством индивидуальной группы шин с одинаковым их со­ставом во всех группах. Связь между абонентами И и П осущест­вляется через центральный контроллер, который выступает в ро­ли арбитра, если на связь поступают заявки одновременно от нескольких абонентов. В этих случаях центральный контроллер со­держит систему выбора абонента, именуемую системой приорите­тов. В интерфейсах с радиальной структурой приоритет определя­ется в основном (но не всегда) местом подключения кабеля, сое­диняющего абонент с контроллером. Система с радиальной струк­турой применяется для связи с удаленными объектами (перифе­рийными устройствами) и имеет однонаправленные линии с одним источником информации.

В интерфейсах с магистральной структурой вместо групп ин­дивидуальных шин имеются коллективные шины, к которым под­ключаются все устройства и контроллер-арбитр. Последний опре­деляет единственное устройство, которое может быть в каждый

96

момент времени подключено к шинам интерфейса. Пространственное распределение соединений, характерное для радиальной структуры, заменяется в магистральной временным распределени­ем связей И и П информации по одним и тем же линиям связи. Это существенно уменьшает число линий связи. В отличие от радиального в ма­гистральном интерфейсе информация поступает от И к П по прин­ципу «каждый с каждым». Как и в радиальном интерфейсе, н ма­гистральном контроллер-арбитр имеет систему приоритетов при необходимости подключения к шинам одновременно нескольких абонентов.

В системах связи со смешанной структурой шин управление процессами адресации и идентификации устройства, запрашиваю­щего сеанс связи, осуществляется по индивидуальным линиям.

Составы шин и сигналов определяются задачами интерфейса. В общем случае по линиям интерфейса передают сигналы: адрес­ные, командные, информационные, управляющие, извещающие, сигналы идентификации и дополнительные. По названию переда­ваемых сигналов именуются шины. В некоторых случаях интер­фейс содержит шины питания и линию сигнализации о состоянии источника питания. В информационно-измерительных системах ин­терфейс включает в себя линии для передачи аналоговых сигна­лов.

Управление интерфейсом осуществляется, как уже говорилось, каналом ввода — вывода (рис. 5.3) при помощи команд:

— адресных, передаваемых по адресной шине;

— управляющих (сигналы запроса, согласия на связь, сигналы, связанные с выполнением интерфейсных операций: сброса интер­фейса, приема и выдачи данных, выборки);

— извещающих, вырабатываемых устройствами в ответ на уп­равляющие сигналы: ответы о наличии связи, готовности к приему или выдаче данных, сигналы о наличии ошибок в считанной ин­формации и т. п. В интерфейсах часто используют мультиплекси­рование шин или разделение во времени функций одних и тех же шин с целью сокращения числа линий.

Универсальность устройства сопряжения достигается, если к одному ответвлению интерфейса можно подключить как источник, так и приемник информации, т. е. если может быть осуществлен двусторонний обмен данными между сопрягаемыми устройствами. Такой обмен возможен, если: а) использовать две одинаковые группы информационных линий — шины «Чтение» и «Запись»: б) использовать двунаправленную «Общую шину», по которой инфор­мация в каждый момент времени передается только в одну сторону.

В зависимости от способа передачи данных различают парал­лельный и последовательный интерфейс. В параллельном интер­фейсе q разрядов данных передаются по q линиям связи. В по­следовательном интерфейсе передача данных осуществляется обычно по двум линиям: по одной передаются непрерывно так­товые (синхронизирующие) импульсы от таймера, по второй — информационные. Возможна параллельно-последовательная пе­редача, когда-разрядный код разделяется на п слогов (симво­лов) и трансляцию производят посимвольно по п линиям из k— =q/n посылок последовательно.

Обмен данными осуществляется по синхронному, асинхронно­му и смешанному принципам.

При синхронном принципе источник (И) определяет темп вы­дачи и приема информации и синхронизирует все процессы пере­мещения данных во времени, при этом синхронизируется прохож­дение в линии каждого разряда. Приемник информации должен обладать способностью принимать данные в любое время, задан­ное источником.

Асинхронный принцип приема — передачи основан на методе квитирования или на методе «Запрос — ответ». В этом методе ис­точник выдает данные и сигнал об их выдаче по одной из линий интерфейса (синхросигнал «Запрос»). Приемник фиксирует его поступление и, восприняв данные, извещает об этом по другой линии (сигнал «Ответ»). Источник, приняв «Ответ», снимает пе­редаваемые данные и синхросигнал. Таким образом, интервал времени приема — передачи будет переменным в зависимости от технических характеристик источников и приемников, линий свя­зи, схем приема и передачи. В стандартных интерфейсах систем связи УВМ с объектом применяют, как правило, асинхронный ин­терфейс, позволяющий проспособляться к различным УСО, длине магистрали связи.

Для кодирования цифровой информации, передаваемой через интерфейс, используется стандартный код ASCII (American Stan-dart Code for Information Interchange), принятый Международ­ной организацией по стандартизации как международный код №5 [34]. Код содержит семь информационных разрядов и один раз­ряд для проверки на четность. Кроме того, код содержит необ­ходимое количество управляющих символов. В СССР также ис­пользуется 7-разрядный код как стандартный с изменением сим­волов по сравнению с кодом ASCII.

Основные технические характеристики интерфейсов ввода— вывода содержат сведения о:

— вместимости, определяющей максимально возможное коли­чество одновременно подключаемых к контроллеру интерфейса абонентов (без применения расширителей интерфейса это число составляет 8—19);

—пропускной способности (скорости передачи), определяемой скоростью передачи данных, длительностью выполняемых опера­ций связи, степенью совмещения процессов передачи данных;

— максимальной длине линий связи, зависящей от синхронно­го или асинхронного метода передачи данных (для большинства интерфейсов длина линий связи находится в диапазоне от 15 до 65 м) [21];

— разрядности информационной шины.

История стандарта RS-232.

В 1969 г. Группой ведущих промышленных корпораций США был введен стандарт на соединение оборудования. Ассоциация электронной промышленности США (EIA) опубликовала вариант С своего рекомендуемого стандарта (Recommended Standart - RS) номер 232. Этот стандарт был озаглавлен "Интерфейс между оконечным оборудованием обработки данных и оконечным оборудованием линии с использованием последовательного обмена данными в двоичной форме" и известен просто как стандарт RS-232C. МККТТ ввел свой собственный вариант этого стандарта в виде стандартов V.24 и V.28.

Министерство обороны США выпустило практически идентичный стандарт Mil-Std-188C.

Хотя стандарт RS-232C был весьма популярен, определяемый им физический интерфейс долек от совершенства. Система передачи данных (передатчик, приемник, соединительные кобеля), реализованная в соответствии с техническими условиями стандарта RS-232C, должна гарантированно обеспечивать передачу сигнала со скоростями, не превышающими всего лишь 20 Кбит/с . Ассоциация электронной промышленности США ввела рекомендуемые стандарты для систем, работающих при больших скоростях, но стандарт RS-232C продолжает оставаться основной реализации последовательного интерфейса для IBM-совместимых персональных компьютеров.

Модификация D этого стандарта была введена в 1987 г. В ней были определены некоторые дополнительные линии тестирования, а также закреплено то, что многие рассматривали как недостаток стандарта RS-232C.

Самой последней (июль 1991 г.) модификацией стандарта RS-232 является стандарт EIA/TIA-232E. В модификации Е нет никаких технических изменений, которые могли бы привести к проблемам совместимости с оборудованием, согласованным с предыдущими вариантами этого стандарта.

Последовательный интерфейс RS-232

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяемый стандартом EIA RS-232-C и рекомендациями V.24 CCITT. Изначально создавался для связи компьютера с терминалом. В настоящее время используется в самых различных применениях.

Интерфейс RS-232-C соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов). Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных RS-232 линий для обеспечения функций определения статуса и управления.

Стандарт	EIA RS-232-C, CCITT V.24
Скорость передачи	115 Кбит/с (максимум)
Расстояние передачи	15 м (максимум)
Характер сигнала	несимметричный по напряжению
Количество драйверов	1
Количество приемников	1
Схема соединения	полный дуплекс, от точки к точке

Порядок обмена по интерфейсу RS-232C

Наименование	Направление	Описание	Контакт (25-контактный разъем)	Контакт (9-контактный разъем)
DCD	IN	Carrie Detect (Определение несущей)	8	1
RXD	IN	Receive Data (Принимаемые данные)	3	2
TXD	OUT	Transmit Data (Передаваемые данные)	2	3
DTR	OUT	Data Terminal Ready (Готовность терминала)	20	4
GND	-	System Ground (Корпус системы)	7	5
DSR	IN	Data Set Ready (Готовность данных)	6	6
RTS	OUT	Request to Send (Запрос на отправку)	4	7
CTS	IN	Clear to Send (Готовность приема)	5	8
RI	IN	Ring Indicator (Индикатор)	22	9

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (принтера, сканера, модема, мыши и др.), а также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами использования RS-232C по сравнению с Centronics являются возможность передачи на значительно большие расстояния и гораздо более простой соединительный кабель. В то же время работать с ним несколько сложнее. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).

Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для подключения RS-232C. Назначение контактов разъема приведено в таблице.

Назначение сигналов следующее.

FG - защитное заземление (экран). -TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная). -RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная). RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи. CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника. DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема. SG - сигнальное заземление, нулевой провод. DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала). DTR - готовность выходных данных. RI - индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по телефонной сети.

Наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для двунапрвленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии связи показана на рисунке 1.1.

Для двухпроводной линии связи в случае только передачи из компьютера во внешнее устройство используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов интерфейса задействуются только при соединении компьютера с модемом.

Формат передаваемых данных показан на рисунке 1.2. Собственно данные (5, 6, 7 или 8 бит) соопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определннные интервалы времени. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение - не более 10%). Скорость передачи по RS-232C может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с.

Рис.1.1 Схема 4-проводной линии связи для RS-232C

Все сигналы RS-232C передаются специально выбранными уровнями, обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи (рис.1.3.). Отметим, что данные передаются в инверсном коде (лоической единице соответствует низкий уровень, логическому нулю - высокий уровень).

Для подключения произвольного УС к компьютеру через RS-232C обычно используют трех- или четырехпроводную линию связи (см. рис. 1.1), но можно задействовать и другие сигналы интерфейса.

Рис.1.2 Формат данных RS-232C

Обмен по RS-232C осуществляется с помощью обращений по специально выделенным для этого портам COM1 (адреса 3F8h...3FFh, прерывание IRQ4), COM2 (адреса 2F8h...2FFh, прерывание IRQ3), COM3 (адреса 3F8h...3EFh, прерывание IRQ10), COM4 (адреса 2E8h...2EFh, прерывание IRQ11). Форматы обращений по этим адресам можно найти в многочисленных описаниях микросхем контроллеров последовательного обмена UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), например, i8250, КР580ВВ51.

Рис.1.3 Уровни сигналов RS-232C на передающем и принимающем концах линии связи