Файл: Конспект лекций (дополнительный, обновленный).doc

По режиму обмена информацией различают интерфейсы с симплексным, полудуплексным, дуплексным и мультиплексным режимами обмена. Симплексный режим обмена характерен тем, что только один из абонентов может в любой момент времени инициировать передачу информации. Полудуплексный режим обмена обеспечивает инициализацию связи любым абонентом, если линия связи интерфейса свободна. Дуплексный режим обеспечивает связь любому абоненту в любой момент времени. Мультиплексный режим позволяет связываться только между парами абонентов и в единственном направлении от одного к другому. Мультиплексный режим характерен для магистральной организации, когда поочередно разные устройства включаются в общую шину.

По способу передачи информации во времени различают интерфейсы с синхронной передачей данных (с постоянной временной привязкой в цикле сбора информации) и с асинхронной (без постоянной временной привязки к определенному временному интервалу цикла сбора). В первом случае передача синхронизируется специальными синхроимпульсами CLK в виде последовательности прямоугольных импульсов. Во втором – управляющими сигналами «ГОТОВНОСТЬ» к обмену, «НАЧАЛО», «КОНЕЦ» и «КОНТРОЛЬ» обмена.

В качестве примера магистральных интерфейсов можно привести асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи: 8-разрядные интерфейсы Microbus, Z-bus, шина iSBX, ISA; 16-разрядные интерфейсы Unibus (отечественный аналог ОШ), Multibus I, Q-bus, EISA; 32-разрядные интерфейсы Vercabus, PCI. В качестве внешних интерфейсов периферийных устройств наиболее широкое распространение получили последовательные интерфейсы RS-232, USB и параллельный интерфейс Centronix. В микропроцессорной технике для согласования микросхем аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, памяти и прочих с микропроцессорами и микроконтроллерами широко используются внутренние последовательные интерфейсы I²C, SPI и MicroLAN. Для программирования внутренней памяти программ и отладки программного обеспечения микроконтроллеров используется интерфейс JTEG.

Следует отметить, что в составе микропроцессорных комплектов имеются специальные интерфейсные БИС, обеспечивающие совместимость по электрическим, конструктивно-технологическим и эксплуатационным параметрам процессорного модуля с внешними устройствами. Каждый микропроцессорный комплект характерен наличием, как правило, параллельных и последовательных интерфейсных устройств, выполненных в виде отдельных микросхем, представляющих собой регистры, буферные схемы и специализированные контроллеры. Такие микросхемы используются как шинные формирователи для организации внутримашинных магистралей и как внешние интерфейсы периферийных устройств.

13.5.1. Интерфейс rs-232.

Приведем в качестве примера организацию наиболее часто используемых в микроконтроллерных системах интерфейсов. Начнем с интерфейса RS-232. Принято также обозначение EIA-232 этого стандарта. Этот интерфейс обеспечивает последовательный мультиплексный режим связи. Для него сигнал логической единицы имеет уровень напряжения менее –3 В (обычно –10 В) и сигнал логического нуля - уровень напряжения более +3 В (обычно +10 В). Гарантированная длина кабеля для надежной работы интерфейса может быть до 30 м в зависимости от скорости передачи. Есть микросхемы, которые выполняют преобразование стандартных ТТЛ-уровней в уровни стандарта RS-232. Примером может служить микросхема MAX232A производства фирмы Maxim, условное графическое обозначение и типавая схема включение которой показаны на рис.13.3. Микросхема преобразует уровни напряжений стандарта ТТЛ (уровень нуля 0,2 В и уровень единицы 3,5 В, рельно 0 В и 5 В) в уровни напряжения стандарта RS-232 (уровень единицы –10 В и уровень нуля +10 В) и наоборот для двух равноценных каналов 1 и 2. Вывод T1in микросхемы является входом усилителя первого канала с входными напряжениями ТТЛ, вывод T1out - выходом усилителя первого канала с уровнями напряжений RS-232. Вывод R1in является входом усилителя первого канала с входными напряжениями RS-232, вывод R1out - выходом усилителя первого канала с уровнями напряжений ТТЛ. Аналогично назначение выводов второго канала. Существет аналогичная микросхема MAX242, отличающаяся от рассмотренной тем, что у нее ТТЛ-выходы усилителей обоих каналов выполнены по трехстабильной схеме. Для управления состояниями этих выходов микросхема MAX242 имеет дополнительный управляющий вход .

Рис.13.3. УГО и схема включения микросхемы MAX232A.

Передача данных по протоколу стандарта RS-232 осуществляется обычно побайтно бит за битом (в общем случае от 5 до 8 бит) по независимым двум каналам для каждого направления. Канал передачи данных от передатчика называется каналом TxD (передача данных), а канал приема данных в приемник – каналом RxD (чтение данных). Пассивному состоянию линии передачи соответствует уровень напряжения логической единицы (-10 В). Наибольшее распространение получил асинхронный режим передачи интерфейса RS-232, поскольку именно он реализован для COM-портов персонального компьютера. В этом режиме передаче основного байта предшествует выдача на линию передатчиком логического нуля (стартовый бит), а завершение передачи заканчивается выдачей логической единицы (стоповый бит) (рис.13.4). Может также использоваться контрольный бит четности, предшествующий передаче стопового бита. Бит четности дополняет общую сумму единиц основного байта до четного (нечетного) количества единиц. Такой способ контроля может выявить на принимающей стороне ошибку, если общее количество единиц приходит нечетным (четным). При пересылке данных между устройствами необходимо, чтобы оба устройства были настроены в один режим и на одну скорость. Типовые значения скорости передачи данных для интерфейса RS-232 составляют: 2400, 4800, 9600, 19200 Бод.

Рис.13.4. Временная диаграмма протокола интерфейса RS-232.

Как правило, функции интерфейса RS-232 реализуются аппаратно. Для этого существуют специализированные микросхемы последовательных приемопередатчиков. Если такие микросхемы реализуют асинхронный режим последовательной связи, то они называются UART-преобразователями (от англ. «Universal Asynchronous Receiver/Transmitter»). Примером подобной микросхемы является i8251A (отечественный аналог КР580ВВ51А). Эта микросхема не является в чистом виде асинхронным приемником-передатчиком. Она поддерживает как асинхронный режим, так и синхронный. Т.е. ее можно охарактеризовать как USART-преобразователь. Обмен может быть как полудуплексным, так и дуплексным. Структурная схема микросхемы i8251A приведена на рис. 13.5. Микросхема выполняет следующие функции:

• прием данных из устройства, осуществляющего передачу, преобразование их из параллельного формата в последовательный и передачу через последовательный канал периферийному устройству;

• прием данных по последовательному каналу из периферийного устройства, преобразование их к параллельному формату и передачу в устройство назначения.

Рис.13.5. Структурная схема микросхемы i8251A.

Назначение выводов микросхемы следующее (стрелка внутрь соответствет входу, стрелка наружу – выходу):

• D0…D7 – двунаправленные трехстабильные выводы параллельных данных;

• RESET– сброс;

• CLK– синхронизация (вход подачи последовательности прямоугольных импульсов с типовым значением частоты 2 МГц);

• A0 – адрес. Высокий уровень сигнала на этом входе определяет возможность записи или чтения данных по параллельному каналу, а низкий – возможность записи управляющих кодов для задания режима работы микросхемы или чтение слова состояния;

• - разрешение вывода данных или слова состояния на выводы параллельного канала;

• - разрешение ввода данных с параллельного канала;

• - выбор кристалла;

• - готовность микросхемы передавать данные по последовательному каналу;

• - готовность приемника терминала;

• - готовность микросхемы принять данные по последовательному каналу;

• - готовность передатчика терминала;

• TxD – последовательный канал передачи данных;

• TxEnd – буфер передатчика пустой;

• TxRDY – готовность передатчика к приему данных с выводов параллельного канала;

• - синхронизация передачи данных;

• RxD – последовательный канал приема данных;

• SynDet – определяет вид синхронизации - внутренней или внешней. Состояние вывода определяется программно;

• RxRDY – данные на выводах параллельного канала готовы для считывания их микропроцессором;

• - синхронизация приема данных.

Несмотря на то, что микросхема имеет большое количество управляющих выводов, для связи терминала и периферийного устройства в асинхронном режиме используется обычно всего 2 вывода: RxD и TxD. Причем вход RxD терминала соединяется кабелем с выходом TxD периферийного устройства и выход TxD терминала соединяется с входом RxD периферийного устройства. Рассмотрим работу микросхемы в наиболее часто используемом режиме – асинхронном. В этом режиме скорость обмена кратна частоте сигналов синхронизации ив соответствующих направлениях обмена. На эти входы подаются синхроимпульсы в виде последовательности прямоугольных импульсов. Коэффициент кратности задается программно и может быть выбран из ряда 1:1, 1:16 и 1:64. Для задания режима работы в микросхему необходимо по параллельному каналу записать слово инициализации. Это слово определяет асинхронный или синхронный режим работы микросхемы, кратность коэффициента деления, длину передаваемых/принимаемых данных по последовательному каналу, наличие или отсутствие бита контроля на четность или нечетность, блительность стоп-бита. В асинхронном режиме биты параллельного кода слова инициализации определяются следующими значениями:

• D0=1, D1=0 - коэффициент кратности равен 1;

• D0=0, D1=1 - коэффициент кратности равен 16;

• D0=1, D1=1 - коэффициент кратности равен 64;

• D2=0, D3=0 - формат передаваемых данных – 5 бит;

• D2=1, D3=0 - формат передаваемых данных – 6 бит;

• D2=0, D3=1 - формат передаваемых данных – 7 бит;

• D2=1, D3=1 - формат передаваемых данных – 8 бит;

• D4=1, D5=0 - контроль по четности;

• D4=1, D5=1 - контроль по нечетности;

• D4=0, D5=1 - без контроля;

• D6=1, D7=0 - длина стоп-бита 1;

• D6=0, D7=1 - длина стоп-бита 1,5;

• D6=1, D7=1 - длина стоп-бита 2.

Слово инициализации устанавливается один раз. Смена слова инициализации необходима тогда, когда необходимо сменить режим работы микросхемы. Также в процессе передачи может возникнуть потребность задавать слова команды, определяющие функции и этапы передачи. Разряды слова команды задают следующие функции: