Що розуміється під інтерфейсом передачі. Інтерфейс передачі даних

ІНТЕРФЕЙС - це стандартизоване середовище turn спосіб обміну інформацією між двома або більше одиницями обладнання: приладами, контролерами, персональним комп'ютером тощо.

Інтерфейси інформаційного обміну між приладами, що застосовуються у промисловості, можуть бути двох типів:

    "точка-точка", що з'єднує два прилади між собою;

    мультиприладний, що дозволяє підключати більше двох приладів однією лінію передачі.

Основна характеристика інтерфейсу - пропускна здатність, яка показує, скільки біт інформації передається за інтерфейсом за 1 секунду і вимірюється в bit per second (bps, Mbps), або біт за секунду (біт/с, Мбіт/с). Необхідно враховувати, що ця пропускна спроможність включає накладні витрати, пов'язані зі способом передачі даних. Для різних інтерфейсів і протоколів частка корисної інформації, що передається в секунду, може бути від 30 до 90% від загальної пропускної здатності.

ПРОТОКОЛ - це стандартизований набір правил передачі з якого-небудь інтерфейсу.

Для складних протоколів прийнято практику поділу їх у кілька рівнів (шарів). При цьому кожен рівень реалізується окремо та додатково стандартизується обмін між рівнями. Це також дозволяє замінювати якісь рівні (наприклад, для адаптації до різних інтерфейсів), залишаючи незмінними інші.

Інтерфейси та протоколи, що використовуються в приладах та контролерах

Інтерфейс

Пропускна здатність

Довжина лінії зв'язку

Протоколи

мультиприладний (до 32 приладів)

стандартно 115200 bps,

є реалізації до 2 Mbps

не більше 1200 м (без повторювача)

точка-точка

не більше 3м

«струмова петля»

точка-точка

до 115200 bps

не більше 1000 м

Ethernet 10/100 base T (по кручений парі)

точка-точка

не більше 100 м

точка-точка

не більше 3 м

Mass Storage Device

точка-точка

Сумісність приладів- це їх здатність здійснювати інформаційний обмін між собою. Кожен із приладів, що беруть участь в інформаційному обміні, повинен мати певний інтерфейс та розуміти певний протокол. І навіть у разі не гарантується можливість обміну, т.к. один прилад може виявитися нездатним передавати інформацію, яку потрібно отримувати іншому. Але що робити, якщо прилади здатні до передачі потрібної інформації, але мають різні інтерфейси та/або розуміють різні протоколи? У цьому випадку потрібне застосування перетворювачів інтерфейсів або шлюзів.

Перетворювач інтерфейсів- це пристрій, що має два або більше різних інтерфейсів, що ретранслює інформацію з одного інтерфейсу до іншого (інші). У цьому передача інформації здійснюється її перетворення. Тому до перетворювача інтерфейсів є сенс підключати лише ті пристрої, які здатні працювати по одному протоколу.

Шлюз(або міст) – це інтелектуальний пристрій, здатний до перетворення даних з одного протоколу на інший. При цьому шлюз може виступати також і як перетворювач інтерфейсів. Шлюз, на відміну перетворювача інтерфейсу, вимагає додаткової настройки, т.к. йому потрібно вказати, які дані щодо яких протоколів треба приймати та передавати.

ІнтерфейсRS-485. При проектуванні промислових систем автоматизації найбільшого поширення набули інформаційні мережі, засновані на інтерфейсі стандарту EIA RS-485. Це високошвидкісний і стійкий до перешкод послідовний інтерфейс, який дозволяє створювати мережі шляхом паралельного підключення багатьох пристроїв до однієї фізичної лінії.

Більшість пристроїв, призначених для роботи в інформаційній мережі, мають інтегрований інтерфейс RS-485.

У звичайному персональному комп'ютері(не промислового виконання) цей інтерфейс відсутній, тому для підключення до ПК промислової мережі RS-485 потрібен спеціальний адаптер - перетворювач інтерфейсу RS-485/RS-232 або RS-485/USB (наприклад, ОВЕН АСЗ-М або АС4).

За інтерфейсом RS-485 дані передаються за допомогою «симетричного» (диференціального) сигналу двома лініями (А і В). Максимальна довжина лінії зв'язку між крайніми пристроями може становити до 1200 м (і більше з використанням повторювачів). При довжині лінії зв'язку більше 100 м у максимально віддалених один від одного точках мережі рекомендується встановлювати кінцеві резистори, що узгоджують, номіналом від 100 до 250 Ом, що дозволяють компенсувати хвильовий опір кабелю і мінімізувати амплітуду відбитого сигналу. Кількість приладів у мережі не повинна перевищувати 32 (без використання повторювача).

ІнтерфейсRS-232. Інтерфейс стандарту EIA RS-232C призначений для послідовного зв'язку двох пристроїв (з'єднання «крапка-крапка»). Він є загальноприйнятим та широко використовується для приєднання зовнішнього обладнання до ПК. Передача даних за інтерфейсом RS-232C здійснюється за допомогою «несиметричного» сигналу по двох лініях - TxD та RxD, а амплітуда сигналу вимірюється щодо лінії GND («нуля») (див. рис.).

Несиметричність сигналу обумовлює низьку перешкодозахисність даного інтерфейсу, особливо при промислових перешкодах, тому довжина лінії зв'язку RS-232 зазвичай обмежена відстанню в кілька метрів. Наявність ліній прийому (RxD) і (TxD) даних дозволяє підтримувати полнодуплексную передачу інформації, тобто. одночасно інформація може як передаватися, і прийматися. Пристрої для зв'язку за інтерфейсом RS-232 зазвичай з'єднуються кабелем з 9-контактними або 25-контактними роз'ємами (DB9, DB25 та ін.).

Інтерфейс «струмова петля»(Різновид RS-232). "Токова петля" - різновид інтерфейсу RS-232, що також забезпечує зв'язок двох приладів (з'єднання "точка-точка"). Інформація в струмовій петлі передається не напругою, а струмом по двопровідній лінії, що забезпечує високий рівень перешкоди. Стандарт "струмова петля" дозволяє передавати дані на відстані до 1000 м зі швидкістю до 19,2 кбіт/с. Через наявність однієї лінії зв'язку стандартом забезпечується напівдуплексна передача даних, тобто. у кожний момент часу інформація може передаватися або прийматися.

Прилади можуть мати інтегрований інтерфейс «струмова петля», які можуть бути підключені:

1) до ПК через адаптер "струмова петля"/RS-232;

2) до мережі RS-485 через шлюз "струмова петля"/RS-485.

Мал. Типові схеми підключення приладів із інтерфейсом

«струмова петля» до мережі

ІнтерфейсEthernet. Ethernet - транспортна технологія передачі даних у обчислювальних мережах, переважно локальних. Протокол, що використовується в кабельних мережах Ethernet - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - Множинний доступ з контролем несучої та виявленням конфліктів. Відповідно до цього протоколу пристрою починають передачу даних лише після виявлення вільного каналу зв'язку для скорочення між ними кількості колізій (помилок). Усі версії сімейства Ethernet спрямовані на підтримку роботи до 1024 вузлів мережі. Цей інтерфейс набув широкого поширення в комп'ютерних мережах завдяки високій пропускній спроможності та перешкодостійкості. Найчастіше використовується вбудований інтерфейс Ethernet 10/100 Base-T, що дозволяє вбудовувати прилади та ПЛК у розподілені інформаційні системи вищого рівня.

ІнтерфейсUSB. Стандарт USB розроблений як альтернатива більш «повільним» комп'ютерним стандартам RS-232 та LPT. В даний час пристрої з інтерфейсом USB 2.0 дозволяють передавати дані зі швидкістю до 480 Мбіт/с.

Інтерфейс USB, як і RS-48S, є симетричним і дозволяє передавати дані по двох дротах (D+ та D-), при цьому логічні рівні аналогічні відповідним рівням стандарту RS-485. Інтерфейс USB має лінії живлення Vcc і GND для запитування підключеного пристрою (за умови, що споживаний струм не перевищує 500 мА). Після встановлення драйвера операційна системарозпізнає пристрій, що підключається як СОМ-порт і використовує стандартний асинхронний режим передачі даних, застосовуваний для роботи з апаратним СОМ-портом.

Побачивши справну амуніцію
Які ганебні всі конституції.

І при залізницях краще зберігати двоколку.

К. Прутков

У попередніх заняттях школи ми розглянули приклад вибору способу реалізації алгоритму та деякі особливості проектування пристроїв обробки сигналів. Сьогоднішнє заняття у школі ми присвятимо питанням вибору та використання стандартних протоколів та інтерфейсів передачі даних, що використовуються у сучасній апаратурі обробки сигналів.

Із завданням розробки пристроїв обміну даними в тій чи іншій мірі стикався практично кожен розробник. У разі вибору протоколу для нового виробу завжди постає питання про компроміс між складністю апаратних засобів інтерфейсу («амуніції») та протоколом передачі даних («конституції»). Крім того, придивляючись до новомодного інтерфейсу, не слід забувати, що дуже часто в наших скромних завданнях достатньо можливостей старого доброго RS232 або RS485, реалізація яких до того ж є виключно дешевою і багаторазово відпрацьованою.

Останні кілька років окрім інших принад принесли розробнику і цілий букет нових інтерфейсів, що дозволяють без перешкод передавати великі обсяги інформації на значну відстань. Сучасні ПЛІС провідних виробників мають вбудовану апаратну реалізацію таких інтерфейсів як GTL, LVDS. Однак практично вся сучасна елементна база пристроїв обробки сигналів розрахована на роботу від напруги живлення не вище 3,3 В, що викликає необхідність розробки способів сполучення зазначених інтерфейсів з традиційними. У той же час російською мовою практично відсутня література з цього питання. Багато компаній опублікували посібники із застосування ІВ для реалізації технічних засобів інтерфейсу, але, на жаль, вони не завжди доступні російському читачеві.

Мал. 1. Області застосування інтерфейсів передачі

На рис. 1 представлені області використання різних інтерфейсів передачі в координатах відстань - швидкість передачі.

Як неважко помітити, якщо потрібна передача інформації на відстань більше кількох десятків сантиметрів, стандартні логічні рівні виявляються незадовільними. На допомогу надходять спеціалізовані протоколи. Який з них вибрати для системи, що розробляється? Яка елементна база дозволить реалізувати його апаратно? Які особливості застосування цього інтерфейсу? Дати відповідь на ці питання належить у цьому занятті школи.

Вибираючи протокол передачі даних, слід звертати увагу на кілька основних параметрів. Це швидкість передачі даних, відстань між джерелом та приймачем даних, заздалегідь задані рівні сигналів, сумісність, вид інтерфейсу (паралельний або послідовний). У табл. 1 наведена коротка характеристика основних інтерфейсів та дані про основних виробників ІВ, що їх підтримують. Зрозуміло, останній стовпець відбиває лише малу дещицю існуючих рішень- У тих випадках, коли виробників занадто багато, в таблиці скромно вказано сімейство ІС.

Таблиця 1. Інтерфейси передачі

Тип інтерфейсу Швидкість передачі по одній лінії, Мбіт/с Відстань між джерелом та приймачем даних, м Стандарт Виробники елементної бази, що підтримують інтерфейс або сімейства ІС
Послідовний 25/50 1,5 IEEE1394 - 1995
100-400 4,5 IEEE1394-1995/p1394.a Texas Instruments, Intel та ін.
12 5 USB2.0 Texas Instruments, Intel та ін.
35 10 (1200) TIA/EIA485(RS-485)(ISO8482)
200 0,5 LVDM (у розробці) LVDM
10 10 (1200) TIA/EIA422(RS-422)(ITU-TV.11) Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex та ін.
200/100 0,5/10 TIA/EIA644(LVDS)(у розробці) LVDS
512 Кбіт/с 20 TIA/EIA232(RS-232)(ITU-TV.28) Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex та ін.
Паралельно-послідовний, послідовно-паралельний 455 До 10 TIA/EIA644 (LVDS) Texas Instruments та ін.
1,25 Гбіт/с До 10 IEEE P802.3z Texas Instruments та ін.
2,5 Гбіт/с До 10 IEEE P802.3z Texas Instruments та ін.
35 10 (1200) TIA/EIA485 (RS-485)(ISO8482) Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex та ін.
40/20 12/25 SCSI Багато виробників
40 12 LVD-SCSI Багато виробників
200/100 0,5/10 LVDM (у розробці) LVDM
33/66 0,2 Compact PCI
33/66 0,2 PCI TI, PLX, розробники прошивок для ПЛІС
Паралельний Тактова частота до 4 МГц 10 IEEE Std1284-1994 AC1284, LVC161284LV161284
Тактова частота до 20 МГц 0,5 CMOS, JESD20, TTL, IEEE1014-1987 AC, AHC, ABT, HC, HCT та ін.
Тактова частота до 33 МГц 0,5 LVTTL (JED8-A), IEEE1014-1987 LVTH. ALVT
Тактова частота до 40 МГц 0,5 VME64 StandardANSI/VITA1-1991 ABTE
Тактова частота до 60 МГц 0,5 IEEE Std1194.1-1991 BTL/FB+
Тактова частота до 60 МГц 0,5 JESD8-3 GTL/GTL+
Тактова частота до 100 МГц 0,5 JESD8-3 GTLP
Тактова частота до 200 МГц 0,1 EIA.JESD8-3,EIA/JESD8-9 SSTL

За способом організації передачі розрізняють однопровідні (single-ended) і диференціальні (differential) інтерфейси. На рис. 2 наведено узагальнену схему однопровідного інтерфейсу При однопровідній передачі даних використовується одна сигнальна лінія, і її логічний рівень визначається щодо землі. Для простих повільних інтерфейсівдопускається використання спільної землі. У більш досконалих інтерфейсах кожен сигнальний провід має свою землю, і обидва дроти, як правило, об'єднуються в кручена пара. Перевагою однопровідних систем є простота та дешевизна реалізації. Оскільки кожна лінія передачі даних вимагає лише одного сигнального дроту, вони зручні для передачі паралельних даних невелика відстань. Прикладом може бути звичний паралельний інтерфейс принтера. Інший приклад – послідовний інтерфейс RS-232. Як бачимо, однопровідні інтерфейси часто застосовують у тих випадках, коли вирішальним факторомє вартість реалізації.

Мал. 2. Однопровідний інтерфейс

Основним недоліком однопровідних систем є їх низька завадостійкість. Через наведення на загальний провід можливий зсув рівнів сигналів, що призводить до помилок. При передачі на відстані близько декількох метрів починає впливати індуктивність та ємність дротів.

Подолати зазначені недоліки вдається у диференціальних системах. На рис. 3 наведена принципова схемареалізації диференціальної передачі.

Мал. 3. Диференціальний інтерфейс

Для балансної диференціальної передачі використовується пара проводів. На приймальному кінці лінії обчислюється різницю між сигналами. Зауважимо, що такий спосіб передачі придатний не тільки для цифрових, але і для аналогових ліній. Зрозуміло, що з диференціальної передачі вдається значною мірою придушити синфазну перешкоду. Звідси випливає основна перевага диференціальних протоколів - висока завадостійкість. Недарма один із найпоширеніших протоколів у промислових комп'ютерах - RS-485 побудований за диференціальною схемою.

Недоліком диференціальних схем є відносно висока вартість, а також складності при виконанні парних узгоджених каскадів передавачів і приймачів.

Розглянемо фізичні параметри інтерфейсів. У літературі прийнято таке позначення рівнів.

  • VIH – вхідна напруга високого рівня (логічної одиниці);
  • VIL – вхідна напруга низького рівня (логічного нуля);
  • VOH – вихідна напруга високого рівня (логічної одиниці);
  • VOL – вихідна напруга низького рівня (логічного нуля).

На рис. 4 наведено логічні рівні для одного провідних інтерфейсів, але в рис. 5 – для диференціальних.

Мал. 4. Рівні сигналів в однопровідних інтерфейсах

Інтерфейс TIA/EIA- 644 (LVDS - Low voltage differential signaling), використовується у швидкісних системах передачі. Інтерфейс LVDS використовує диференціальну передачу даних із досить низькими рівнями сигналів. Різниця сигналів становить 300 мВ, лінії навантажуються опором 100 Ом. Вихідний струм передавача становить від 2,47 до 4,54 мА. Інтерфейс TIA/EIA - 644 має кращими характеристикамиспоживання порівняно з TIA/EIA - 422 і може бути його заміною в нових розробках. Максимальна швидкість передачі становить 655 Мбіт/с. Перевага даного інтерфейсу - наступність ІС приймачів по розводці з драйверами добре відомих і застосовуваних інтерфейсів RS-422 і RS-485. Цей підхід дозволяє використовувати нові інтерфейси у вже розроблених платах, що полегшує перехід на нову елементну базу.

Інтерфейс LVDSпідтримують багато сучасних ПЛІС, такі як APEX фірми ALTERA, Virtex фірми Xilinx та ряд інших. Типовими представниками драйверів цього інтерфейсу є ІС SN65LVDS31/32, SN65LVDS179 фірми Texas Instruments.

За електричними властивостями до інтерфейсу LVDS примикає інтерфейс LVDM. Цей протокол підтримують ІС SN65LVDM176, SN65LVDM050.

Мал. 5. Рівні сигналів у двопровідних інтерфейсах

p align="justify"> При проектуванні однопровідних інтерфейсів однією з центральних проблем є сполучення різних пристроїв з об'єднавчою або крос-платою (backplane systems), особливо якщо потрібна «гаряча заміна» вузлів. Як правило, на об'єднавчій платі прийнято єдині рівні сигналів, і завдання розробників периферійних плат полягає в правильному виборізасобів поєднання. Слід зазначити, що за довгу історію рівні ТТЛ стали стандартом де-факто для об'єднувальних плат і внутрішньофірмових (або внутрішньовідомчих) інтерфейсів. Тому при розвитку існуючих системта застосування нової елементної бази виникає необхідність у поєднанні нових плат із загальною шиною. Для цього існує цілий набір рішень.

Як відомо, класичні ТТЛ та КМОП сімейства ІС забезпечують струм навантаження до 24 мА при мінімальному імпеданс лінії 50 Ом. З появою БіКМОП технології стало можливим досягти значення вихідного струму -32/64 мА та роботи на лінію з імпедансом 25 Ом. Для цього пристосовано сімейство ІС SN74ABT25xxx. Дані мікросхеми можуть бути також використані в системах так званої гарячої заміни модулів, знімні модулі можуть підключатися або відключатися по ходу роботи приладу.

При проектуванні модулів, що підключаються, необхідно виконати кілька вимог, які, по-перше, попередять поломку модуля при підключенні до працюючої системи і, по-друге, не призведуть до збоїв у роботі системи. Розглянемо їх.

Інтерфейс між підключається і основним модулями складається з шин живлення, землі та сигнальних шин. Модель мікросхеми, що підключається до системи, показано на рис. 6.

Мал. 6. Діоди на вході та виході ІС

Захист входів та виходів мікросхем здійснюється з використанням діодних ключів.

Для захисту виходів використовуються діоди Д3 та Д4. Діод D3 використовується у мікросхемах КМОП для захисту від електростатичних розрядів. Діод D4 захищає від напруги на виході меншого рівня логічного нуля.

При розробці модулів, що підключаються, краще використовувати мікросхеми БіКМОП, оскільки вони вигідно відрізняються від інших тим, що мають схему (рис. 7), яка тримає вихід мікросхеми в стані високого імпедансу в момент включення мікросхеми. Цей ланцюг стежить за напругою живлення і складається з двох діодів D1 та D2 та транзистора Q1, на базу якого подається напруга. При напругі живлення, яке менше встановленого (наприклад, для серії ABT/BCT VCOFF~2,5 В, для LVT VCOFF~1,8 В), вихід цього ланцюга перетворюється на стан логічної одиниці. При цьому він відключає сигнал на виході мікросхеми незалежно від вхідного. Ця властивість мікросхем БіКМОП гарантує, що поведінка схеми передбачувана навіть за дуже низької напруги живлення.

Мал. 7. Ланцюг, що відключає вихід при зниженій напрузі живлення в мікросхемах БіКМОП

При гарячому підключенні модуля поведінка системи буде передбачуваною, якщо дотримуються принаймні дві умови:

  • на розніманні є один або кілька контактів землі, висунутих вперед щодо інших контактів;
  • інтерфейс складається тільки з біполярних або БіКМОП мікросхем із тристабільними виходами або з виходами з відкритим колектором.

Проблема конфліктів на шині стоїть особливо гостро, коли зустрічаються вихідні сигнали різних рівнів – низького та високого. На рис. 8 показано цей процес. Струм, який виникає внаслідок конфлікту, досягає 120 мА, і в цій боротьбі виживає та мікросхема, яка має на виході низький рівень. Мікросхема з високим рівнемна виході працює в режимі короткого замикання та згоряє.

Мал. 8. Струм короткого замикання при конфліктах на шині

Для того, щоб уникнути такого конфлікту, потрібна додаткова схема, яка під час включення харчування тримала б виходи у стані високого імпедансу

Основним елементом цієї схеми може бути ІС TLC7705. Такі мікросхеми використовуються для створення сигналу RESET при включенні приладу. У нашому випадку висновки цієї мікросхеми підключаються до входів роздільної здатності шинних формувачів. Під час ініціалізації або увімкнення модуля сигнал RESET переводить виходи мікросхем у третій стан. При створенні таких схем зручно використовувати мікросхеми, які мають два входи ENABLE (наприклад, SN74ABT541). Це рішення показано на рис. 9.

Мал. 9. Моніторинг конфліктів на шині

Існують шинні формувачі, які вже містять у собі всі необхідні для захисту від шинних конфліктів компоненти – комутатори та резистори. Ці мікросхеми випускаються у двох серіях: ETL (Enhanced Transceiver Logic, серія SN74ABTE) та BTL (Backplane Transceiver Logic, серія SN74FB).

Мікросхеми серії ETL мають додатковий висновок для підключення напруги зарядки вихідної ємності мікросхеми, що називається VCCBIAS. Він живить схему, що заряджає конденсатор під час увімкнення модуля.

На рис. 10 показано схему інтерфейсу з використанням мікросхеми ETL. У момент включення модуля після під'єднання контактів VCC1 та GND на мікросхемі U3 з'являється напруга VCCBIAS. Одночасно включаються мікросхеми U2 та U1 і сигналом OE відключають виходи шинного формувача від шини.

Мал. 10. Схема інтерфейсу із використанням мікросхем серії ETL

Кидки напруги в ланцюгах живлення системи при підключенні модуля з'являються так само, як кидки в сигнальних ланцюгах. При цьому величина ємності, що заряджається, коливається від десятків до сотень мікрофарад і залежить від ємності блокуючих конденсаторів на підключається платі. Один із шляхів до обмеження стрибка напруги - включення в ланцюг живлення комутатора, який повільно вмикається. На рис. 11 запропоновано схему, в якій роль комутатора грає P-МОП транзистор. RC-ланцюжок забезпечує повільну зміну сигналу з урахуванням транзистора. Діод D швидко розряджає конденсатор після того, як модуль вимкнено.

Мал. 11. Схема повільного увімкнення модуля з використанням транзистора

Передбачається, що транзистор має малий опір у включеному стані. При роботі потужність, що розсіюється на транзисторі, невелика через невелике падіння напруги. При необхідності можна паралельно вмикати кілька транзисторів.

У модулях зручно використовувати власні джерела живлення.

На рис. 12 наведена схема джерела живлення, який отримує із системи від десяти до сорока вольт і перетворює їх імпульсним способом 5 В. Схема не дає кидка напруги при включенні.

Мал. 12. Децентралізоване джерело живлення

У наступному занятті ми продовжимо розгляд інтерфейсів та особливостей застосування логічних ІС нових сімейств.

Література

  1. Стешенко В. Б. Школа схемотехнічного проектування пристроїв обробки сигналів. // Компоненти та технології, № , , 2000
  2. Стешенко В. Школа розробки апаратури цифрової обробки сигналів на ПЛІС // Chip News, 1999, № 8-10, 2000, № 1, 3-5.
  3. Стешенко В. ПЛІС фірми ALTERA: проектування пристроїв обробки сигналів. М: «Додека», 2000.
  4. Alicke F., Bartholdy F., Blozis S., Dehemelt F., Forstner P., Holland N., Huchzermier J. Comparing Bus Solutions, Application Report, Texas Instruments, SLLA067, March 2000.
  5. Стешенко В. ACCEL EDA: розробка друкованих плат. М.: "Нолідж", 2000, 512 с., іл.

Сучасна техніка має безліч різноманітних входів і виходів для обміну даними з іншими пристроями. У характеристиках цієї техніки вказуються назви всіх підтримуваних нею інтерфейсів. Деякі користувачі дуже погано розуміються на всіх цих назвах і абревіатурах, що не дозволяє їм грамотно оцінити можливості того чи іншого пристрою. Існують як дротові, і бездротові інтерфейси, найпоширеніші їх ми розглянемо далі у статті.

Почнемо з провідних інтерфейсів, перевагами яких є надійність та захищеність з'єднання, а також можливість передачі інформації на високої швидкості. Одним з дуже поширених дротових інтерфейсів є універсальна послідовна шина або USB. Майже не один сучасний пристрій, що працює з інформацією, не обходиться без нього. USB-порти є у всіх ноутбуках та системних блоках. У пристроях невеликого розміру, таких як відеокамера або мобільний телефон, можуть використовуватися зменшені версії цього стандарту. Стандарт USBнародився 1994 року. Першою була версія USB 0.7. Останньої, самої сучасною версієює USB 3.0, швидкість якої сягає 4,8 Гбіт/с.

Для мультимедійних даних використовується формат HDMI. Його назва перекладається як мультимедійний інтерфейс високої чіткості. HDMI використовується для передачі аудіо та відео сигналів високої якостізі швидкістю, що досягає 10,2 Гбіт/с та захистом HDCP. Цей інтерфейс використовується в телевізорах, відеокартах та DVD плеєрах. Зазвичай для нього використовується кабель довжиною близько 5 метрів, а при використанні підсилювачів довжина може досягти 35 метрів.

Ще один високошвидкісний інтерфейс – це FireWire. Його реальна назва – IEEE 1394, а у пристроях виробництва фірми Sony він називається i.LINK. Зустрічається практично на всіх материнських платах. Швидкість цього інтерфейсу 100-3200 Мбіт/с.

Для комп'ютерних мережвикористовується стандарт Ethernet. В основному цей інтерфейс застосовується в локальних мережах. Його швидкість залежить від використовуваного кабелю. Якщо у Ethernet використовується коаксіальний кабель, то швидкість становить 10 Мбіт/с. Передача даних з використанням крученої пари здійснюється зі швидкістю 100-1000 Мбіт/с. А ось швидкість із використанням оптоволокна може перевищувати 1000 Мбіт/с. Існує два стандарти Ethernet: FastEthernet, швидкість якого становить 100 Мбіт/с та швидший GigabitEthernet, який розганяється до 1000 Мбіт/с. Цей інтерфейс присутній практично на всіх материнських платах, а також зустрічається на деяких гаджетах і ігрових консолях.

Тепер перейдемо до бездротових інтерфейсів, очевидною перевагою яких є відсутність дротів. Почнемо з інфрачервоного порту або IrDA. Він є найстарішим з усіх бездротових інтерфейсів. Швидкість передачі цього інтерфейсу становить 2,4 Кбіт/с-16 Мбіт/с. Найчастіше використовується в мобільних телефонахта пультах дистанційного керування. При двосторонньому зв'язку діє з відривом до 50 див, а за одностороннього зв'язку до 10 м.

Величезну популярність останнім часом отримав Bluetooth, який дуже широко використовується в мобільних телефонах. Цей інтерфейс був названий на честь Харальда Синезубого - короля Данії. Радіус його дії становить приблизно 100 метрів, але наявність стін та інших перешкод може його суттєво скоротити. Обмін інформації складає швидкості в межах 3 Мбіт/с, а в нової версіїданого стандарту Bluetooth 3.0 швидкість може сягати 24 Мбіт/с.

Бездротовим аналогом стандарту Ethernet є Wi-Fi, назва якого в перекладі означає бездротову точність. Цей інтерфейс забезпечує з'єднання швидкості 54-480 Мбіт/с, з радіусом дії 450 метрів за відсутності перешкод.

Удосконаленою версією Wi-Fi є WiMAX, радіус дії якого може доходити і до 10 км, а інформація передається зі швидкістю від 30 Мбіт/с до 1 Гбіт/с.

Інтерфейси передачі розвиваються так швидко, що виробникам систем зберігання даних складно за ними встигати. Щороку з'являються інтерфейси, що дозволяють досягти швидкості передачі даних у багато разів більшої, ніж існуючі пристрої. Комутатори та мережеві адаптерипочинають підтримувати нові швидкісні інтерфейси набагато раніше, як вони стають доступними у системах зберігання даних.

У таблиці нижче показано розвиток пропускних здібностей інтерфейсів підключення СГД на часовій шкалі.

Тенденції розвитку інтерфейсів

Нижче описані передбачувані роки появи нових швидкостей передачі для різних інтерфейсів, засновані на дослідженнях галузі. Історія показує, що багато інтерфейсів цикл розробки нових стандартів становить 3-4 року.

Варто зазначити, що з моменту затвердження специфікації нового інтерфейсу і до появи на ринку продуктів, що підтримують його, проходить зазвичай кілька місяців. Широке поширення нового стандарту може тривати кілька років.

Також зараз ведеться робота з розробки версій існуючих інтерфейсів зі зниженим енергоспоживанням.

Fibre Channel

32Gbps FC (32GFC)

Робота над стандартом 32GFC, FC-PI-6, розпочалася на початку 2010 року. У грудні 2013 року асоціація Fibre Channel Industry Association (FCIA) повідомила про завершення роботи над специфікацією. Очікується, що продукти, які підтримують цей інтерфейс, з'являться на ринку у 2015 чи 2016 роках. 32GFC буде використовувати 25/28G SFP+ конектор.

Мультиканальний інтерфейс FC 128Gb, ​​відомий як 128FCp (паралельний чотириканальний), ґрунтується на технології FC 32Gb і доданий до офіційного плану розвитку стандарту FC. Комітет T11 надав проекту назву FC-PI-6P. Завершення специфікації планується на кінець 2014 – початок 2015 року, продукти будуть доступні у 2015 чи 2016 році. 128GFCp, ймовірно, буде використовувати конектори QSFP+, можлива також підтримка CFP2 або CFP4 конекторів.

Деякі виробники представляють 32GFC і 128GFC як Gen 6 Fibre Channel, так як ця версія підтримує 2 різні швидкостіпередачі у двох різних конфігураціях (послідовної і паралельної).

64Gbps FC (64GFC), 256Gbps FC (256GFC)

Розробка стандартів 64GFC та 256GFC почалася в проекті FC-PI-7. Технічна стабільність очікується у 2017 році. Кожна ревізія FC назад сумісна як мінімум із двома попередніми поколіннями.

FC як інтерфейс SAN

Очевидно, Fibre Channel в найближчому майбутньому залишатиметься основний технологією для побудови мереж SAN. За минулі роки в інфраструктуру FC було інвестовано значні кошти (мільярди доларів США), в основному, в центри обробки даних, які функціонуватимуть ще протягом багатьох років.

FC як дисковий інтерфейс

Fibre Channel як інтерфейс для підключення дисків відходить у минуле, оскільки виробники дисків корпоративного класу переходять на 6Gbps SAS та 12Gbps SAS. Через досить великий обсяг випущених 3.5-дюймових дисків з інтерфейсом FC, що використовуються в корпоративних дискових підсистемах, очікується, що FC використовуватиметься ще деякий час для їх підтримки. Серед 2.5-дюймових дисків інтерфейс Fibre Channel, швидше за все, буде доступний на дуже невеликій кількості пристроїв.

Fibre Channel over Ethernet

FCoE (FC-BB-6)

Робота над стандартом FC-BB-6 була завершена комітетом T11 у серпні 2014 року. FC-BB-6 стандартизує архітектуру VN2VB та покращує масштабованість Domain_ID.

VN2VN — це спосіб з'єднати кінцеві вузли FCoE (Virtual N_Ports) без необхідності у FC або FCoE комутаторах (FC Forwarders), що дозволяє спростити конфігурацію в невеликих розміщеннях. Цю ідею іноді називають "Ethernet Only" FCoE. У таких мережах не потрібне зонування, що дає меншу складність та зменшує витрати.

Масштабованість Domain_ID (Domain_ID Scalability) дозволяє FCoE фабрикам масштабуватися до великих SAN.

40Gbps та 100Gbps

До появи 40Gbps FCoE залишився рік чи два. Можливо, інтерфейс з'явиться одночасно із 32Gb FC. Стандарти IEEE 802.3ba 40Gbps та 100Gbps Ethernet були ратифіковані у червні 2010. Нові продукти мають з'явитися через деякий час.

Швидше за все, 40Gbps і 100Gbps FCoE, які базуються на стандартах Ethernet 2010 року, будуть використовуватися спочатку для ISL-ядер, тим самим залишаючи 10Gb FCoE в основному для кінцевих з'єднань. Очікується, що майбутні версії 100GFCoE кабелів та конекторів будуть доступні у конфігураціях 10х10 і потім 4х25.

InfiniBand

В даний час продукти, що використовують 100Gbps Infiniband EDR (Enchanced Data Rate), вже доступні у продажу. EDR використовує конектори 25/28G SFP+, так само як інтерфейси Ethernetта Fibre Channel.

InfiniBand High Data Rate (HDR), що підтримує швидкість у 2 рази більше, ніж EDR, очікується у 2017 чи 2018 році. Хост-адаптери HDR, можливо, вимагатимуть наявність PCIe 4.0 слотів.

Ethernet

У липні 2014 року 2 різні галузеві групи — 20G/50G Ethernet Consortium та IEEE 802.3 25Gb/s Ethernet Study Group — оголосили про початок нової роботинад специфікацією Ethernet для використання переваг 25Gb PHY у односмуговій конфігурації. В результаті було отримано специфікацію односмугового з'єднання, схожого на існуючу 10GbE технологію, але в 2.5 рази швидше. Продукти, які використовують ці технології, вже доступні. Також планується розробка стандарту 50GbE, що використовує 2 смуги 25GbE. Закінчення специфікації планується у 2018-2020 роках.

У розробці знаходяться стандарти 2.5GbE та 5GbE, які дозволяють збільшувати пропускну спроможністьмережі без додаткових витрат завдяки використанню кабелів категорії 5e. Організація NBASE-T Alliance випустила версію 1.1 специфікацію NBASE-T, яка визначає реалізацію фізично. Technical Working Group працює над специфікацією для системного інтерфейсу PHY-MAC, магнітними та канальними характеристиками. Крім того, працівники 25 компаній беруть участь у розробці стандартів IEEE 802.3bz 2.5/5GBASE-T. Продукти, що підтримують 2.5GbE та 5GbE вже з'являються на ринку.

SAS

12Gbps SAS

Специфікація SAS 3, що включає 12Gbps SAS, була відправлена ​​в INCITS в 4 кварталі 2013 року. Продукти на 12Gbps SAS для кінцевих користувачів почали з'являтися у другій половині 2013 року, включаючи SSD, мережні адаптери (SAS HBA) та RAID-контролери. 12Gbps SAS дозволяє використовувати усі переваги шини PCIe 3.0.

24Gbps SAS

Специфікація інтерфейсу 24Gbps SAS зараз у розробці. За прогнозами, перші компоненти, що використовують 24Gbps SAS, можуть з'явитися в 2016 або 2017 році, перші продукти для користувачів будуть доступні в 2018. 24Gbps SAS розробляється з розрахунку повної сумісності з 12Gbps і 6Gbps SAS. Можливо, буде використано іншу схему кодування.

Прототипи інтерфейсу 24Gbps SAS будуть використовувати технологію PCIe 3.x, однак, ймовірно, що фінальні продукти будуть задіяти технологію PCIe 4.x.

SCSI Express

SCSI Express реалізує добре відомий протокол SCSI через інтерфейс PCI Expressзменшуючи затримку за рахунок використання PCIe. Він розробляється для відповідності покращеної швидкості SSD дисків. SCSI Express використовує протоколи SCSI over PCIe (SOP) та PCIe Queueing Interface (PQI), створюючи протокол SOP-PQI. Контролери з'єднуються з пристроями за допомогою конектора SFF-8639, який підтримує безліч протоколів та інтерфейсів, таких як PCIe, SAS та SATA. SCSI Express підтримує PCIe пристрої, що використовують до 4х смуг.

SCSI Express вперше був запропонований у 2011 році та прийнятий у роботу як формальний проект у 2012, але не розвивався до 2015 року. Поки не відомо, коли перші продукти SCSI Express будуть випущені ринку.

Можливості підключення SAS

Нові можливості підключення SAS дозволяють передавати дані на великі відстані завдяки використанню активних мідних патч-кордів і оптоволоконних кабелів. Конектор Mini SAS HD (SFF-8644) може бути використаний для 6Gbps SAS та 12Gbps SAS.

У майбутньому очікуються такі можливості, як підтримка набору команд Zoned Block Commands (ZBC) та технології запису для дисків збільшеного обсягу Shingled Magnetic Recording (SMR).

SATA Express

Специфікація SATA Express включається до SATA версії 3.2. SATA Express дозволяє співіснувати клієнтським SATA та PCIe рішенням. SATA Express дозволяє збільшити швидкість передачі до 2 смуг PCIe (2GBps для PCIe 3.0 та 1GBps для PCIe 2.0) порівняно з поточною технологією SATA (0.6GBps). Така швидкість підходить для SSD та SSHD, в той час як звичайні HDD-диски можуть продовжувати використовувати наявний SATA інтерфейс. Кожен пристрій може використовувати PCIe або SATA конектор, але не обидва одночасно. Окремий сигнал, що породжується пристроєм, каже хосту, є пристрій SATA або PCI Express. На середину 2015 року SATA Express підтримується дуже мало материнських карт. Поки не зрозуміло, чи SATA Express буде прийнято ринком, найближчим часом не варто очікувати появи великої кількостіпродуктів.

Нові можливості SATA

Серед нових можливостей, які заплановані на майбутнє, можна відзначити такі опції корпоративного рівня, як віддалене відключення живлення, покращене відновлення масиву та оптимізації для пристроїв, що працюють на флеш-пам'яті NAND. Також планується підтримка технології SMR (Shingled Magnetic Recording).

Thunderbolt

Thunderbolt 2 був представлений наприкінці 2013 року, зараз випускається безліч пристроїв, які використовують цей інтерфейс. Швидкість передачі Thunderbolt 2 становить 20 Gbps.

Thunderbolt 3 (40 Gbps) був анонсований у червні 2015 року. Використовується кабель USB type-C, який підтримує USB 3.1 (10 Gbps), Display Port (подвійні 4k дисплеї), 4 смуги PCI Express 3.0 та попередні версії Thunderbolt. На додаток, надається 15 ват для живлення підключених пристроїв та підтримується харчування USBдля зарядки портативних комп'ютерівдо 100 Вт. Активні мідні та оптоволоконні кабелі підтримують швидкість передачі даних до 40 Gbps. Менш дорогі мідні пасивні кабелі підтримують швидкість до 20 Gbps. Очікується поява перших продуктів, що використовують Thunderbolt 3, наприкінці 2015 року. Набагато більше пристроїв стануть доступними у 2016 році.

USB

USB 3.1

У липні 2013 року USB 3.0 Promoter Group оголосила про створення специфікації USB 3.1. Новий інтерфейс дозволяє працювати зі швидкістю 10 Gbps і повністю сумісний із попередніми версіями USB. USB 3.1 використовує схему кодування 128b/132b, в якій 4 біти використовуються для керування протоколом та передачі інформації про кабель. Пристрої, що використовують USB 3.1 з новим кабелем Type-C, вже з'явилися на ринку.

Живлення USB

USB є інтерфейсом з можливістю живлення підключених пристроїв і з'являється все більше пристроїв, що заряджаються або працюють USB. Специфікація USB Power Delivery (PD) версії 1.0 з'явилась у липні 2012 року. У ній було запропоновано збільшити потужність живлення з 7.5 ватів до 100 ватів залежно від типу кабелю та конектора. Пристрої повинні домовлятися один з одним для визначення напруги та сили струму для передачі електроенергії, причому можна передавати енергію в будь-якому напрямку. Пристрої можуть налаштувати потужність живлення під час передачі інформації. Прототипи пристроїв із USB PD почали з'являтися наприкінці 2013 року. Специфікація USB PD включена до специфікації USB 3.1.

Кабель USB Type-C

Специфікацію нового кабелю та конектора було завершено у серпні 2014 року. Цей кабель має суттєво відмінний дизайн із зменшеним розміром конектора, який легко може застосовуватись у різних пристроях. Відповідно до нової специфікації кабель і конектор можуть бути використані в будь-якому положенні, незалежно від орієнтації конектора та напрямки кабелю. Кабель має той самий тип конектора з обох сторін. Перші Type-C USB кабелі є пасивними мідними кабелями довжиною до 1 м, незабаром очікується поява активних мідних і оптоволоконних кабелів.

Із завданням розробки пристроїв обміну даними в тій чи іншій мірі стикався практично кожен розробник. У разі вибору протоколу для нового виробу завжди постає питання про компроміс між складністю апаратних засобів інтерфейсу («амуніції») та протоколом передачі даних («конституції»). Крім того, придивляючись до новомодного інтерфейсу, не слід забувати, що дуже часто в наших скромних завданнях достатньо можливостей старого доброго RS232 або RS485, реалізація яких до того ж є виключно дешевою і багаторазово відпрацьованою.

Останні кілька років окрім інших принад принесли розробнику і цілий букет нових інтерфейсів, що дозволяють без перешкод передавати великі обсяги інформації на значну відстань. Сучасні ПЛІС провідних виробників мають вбудовану апаратну реалізацію таких інтерфейсів як GTL, LVDS. Однак практично вся сучасна елементна база пристроїв обробки сигналів розрахована на роботу від напруги живлення не вище 3,3 В, що викликає необхідність розробки способів сполучення зазначених інтерфейсів з традиційними. У той же час російською мовою практично відсутня література з цього питання. Багато компаній опублікували посібники із застосування ІВ для реалізації технічних засобів інтерфейсу, але, на жаль, вони не завжди доступні російському читачеві.

Мал. 1. Області застосування інтерфейсів передачі

На рис. 1 представлені області використання різних інтерфейсів передачі в координатах відстань - швидкість передачі.

Як неважко помітити, якщо потрібна передача інформації на відстань більше кількох десятків сантиметрів, стандартні логічні рівні виявляються незадовільними. На допомогу надходять спеціалізовані протоколи. Який з них вибрати для системи, що розробляється? Яка елементна база дозволить реалізувати його апаратно? Які особливості застосування цього інтерфейсу? Дати відповідь на ці питання належить у цьому занятті школи.

Вибираючи протокол передачі даних, слід звертати увагу на кілька основних параметрів. Це швидкість передачі даних, відстань між джерелом та приймачем даних, заздалегідь задані рівні сигналів, сумісність, вид інтерфейсу (паралельний або послідовний). У табл. 1 наведена коротка характеристика основних інтерфейсів та дані про основних виробників ІВ, що їх підтримують. Зрозуміло, останній стовпець відбиває лише малу дещицю існуючих рішень - у випадках, коли виробників занадто багато, у таблиці скромно зазначено сімейство ІС.

Таблиця 1. Інтерфейси передачі

Тип інтерфейсу Швидкість передачі по одній лінії, Мбіт/с Відстань між джерелом та приймачем даних, м Стандарт Виробники елементної бази, що підтримують інтерфейс чи сімейства ІС
Послідовний 25/50 1,5 IEEE1394 - 1995
100-400 4,5 IEEE1394-1995/p1394.a Texas Instruments, Intel та ін.
12 5 USB2.0 Texas Instruments, Intel та ін.
35 10 (1200) TIA/EIA485(RS-485)(ISO8482)
200 0,5 LVDM (у розробці) LVDM
10 10 (1200) TIA/EIA422(RS-422)(ITU-TV.11) Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex та ін.
200/100 0,5/10 TIA/EIA644(LVDS)(у розробці) LVDS
512 Кбіт/с 20 TIA/EIA232(RS-232)(ITU-TV.28) Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex та ін.
Паралельно-послідовний, послідовно-паралельний 455 До 10 TIA/EIA644 (LVDS) Texas Instruments та ін.
1,25 Гбіт/с До 10 IEEE P802.3z Texas Instruments та ін.
2,5 Гбіт/с До 10 IEEE P802.3z Texas Instruments та ін.
35 10 (1200) TIA/EIA485 (RS-485)(ISO8482) Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex та ін.
40/20 12/25 SCSI Багато виробників
40 12 LVD-SCSI Багато виробників
200/100 0,5/10 LVDM (у розробці) LVDM
33/66 0,2 Compact PCI
33/66 0,2 PCI TI, PLX, розробники прошивок для ПЛІС
Паралельний Тактова частота до 4 МГц 10 IEEE Std1284-1994 AC1284, LVC161284LV161284
Тактова частота до 20 МГц 0,5 CMOS, JESD20, TTL, IEEE1014-1987 AC, AHC, ABT, HC, HCT та ін.
Тактова частота до 33 МГц 0,5 LVTTL (JED8-A), IEEE1014-1987 LVTH. ALVT
Тактова частота до 40 МГц 0,5 VME64 StandardANSI/VITA1-1991 ABTE
Тактова частота до 60 МГц 0,5 IEEE Std1194.1-1991 BTL/FB+
Тактова частота до 60 МГц 0,5 JESD8-3 GTL/GTL+
Тактова частота до 100 МГц 0,5 JESD8-3 GTLP
Тактова частота до 200 МГц 0,1 EIA.JESD8-3,EIA/JESD8-9 SSTL

За способом організації передачі розрізняють однопровідні (single-ended) і диференціальні (differential) інтерфейси. На рис. 2 наведено узагальнену схему однопровідного інтерфейсу При однопровідній передачі даних використовується одна сигнальна лінія, і її логічний рівень визначається щодо землі. Для простих повільних інтерфейсів допускається використання спільної землі. У більш досконалих інтерфейсах кожен сигнальний провід має свою землю, і обидва дроти, як правило, об'єднуються у кручені пари. Перевагою однопровідних систем є простота та дешевизна реалізації. Оскільки кожна лінія передачі даних вимагає лише одного сигнального дроту, вони зручні передачі паралельних даних на невелику відстань. Прикладом може бути звичний паралельний інтерфейс принтера. Інший приклад – послідовний інтерфейс RS-232. Як бачимо, однопровідні інтерфейси часто застосовують у тих випадках, коли вирішальним чинником є ​​вартість реалізації.

Мал. 2. Однопровідний інтерфейс

Основним недоліком однопровідних систем є їх низька завадостійкість. Через наведення на загальний провід можливий зсув рівнів сигналів, що призводить до помилок. При передачі на відстані близько декількох метрів починає впливати індуктивність та ємність дротів.

Подолати зазначені недоліки вдається у диференціальних системах. На рис. 3 наведено принципову схему реалізації диференціальної передачі даних.

Мал. 3. Диференціальний інтерфейс

Для балансної диференціальної передачі використовується пара проводів. На приймальному кінці лінії обчислюється різницю між сигналами. Зауважимо, що такий спосіб передачі придатний не тільки для цифрових, але і для аналогових ліній. Зрозуміло, що з диференціальної передачі вдається значною мірою придушити синфазну перешкоду. Звідси випливає основна перевага диференціальних протоколів - висока завадостійкість. Недарма один із найпоширеніших протоколів у промислових комп'ютерах - RS-485 побудований за диференціальною схемою.

Недоліком диференціальних схем є відносно висока вартість, а також складності при виконанні парних узгоджених каскадів передавачів і приймачів.

Розглянемо фізичні параметри інтерфейсів. У літературі прийнято таке позначення рівнів.

  • VIH – вхідна напруга високого рівня (логічної одиниці);
  • VIL – вхідна напруга низького рівня (логічного нуля);
  • VOH – вихідна напруга високого рівня (логічної одиниці);
  • VOL – вихідна напруга низького рівня (логічного нуля).

На рис. 4 наведено логічні рівні для однопровідних інтерфейсів, а на рис. 5 – для диференціальних.

Мал. 4. Рівні сигналів в однопровідних інтерфейсах

Інтерфейс TIA/EIA- 644 (LVDS - Low voltage differential signaling), використовується у швидкісних системах передачі. Інтерфейс LVDS використовує диференціальну передачу даних із досить низькими рівнями сигналів. Різниця сигналів становить 300 мВ, лінії навантажуються опором 100 Ом. Вихідний струм передавача становить від 2,47 до 4,54 мА. Інтерфейс TIA/EIA - 644 має кращі характеристики споживання порівняно з TIA/EIA - 422 і може бути його заміною в нових розробках. Максимальна швидкість передачі становить 655 Мбіт/с. Перевага даного інтерфейсу - наступність ІС приймачів по розводці з драйверами добре відомих і застосовуваних інтерфейсів RS-422 і RS-485. Цей підхід дозволяє використовувати нові інтерфейси у вже розроблених платах, що полегшує перехід на нову елементну базу.

Інтерфейс LVDSпідтримують багато сучасних ПЛІС, такі як APEX фірми ALTERA, Virtex фірми Xilinx та ряд інших. Типовими представниками драйверів цього інтерфейсу є ІС SN65LVDS31/32, SN65LVDS179 фірми Texas Instruments.

За електричними властивостями до інтерфейсу LVDS примикає інтерфейс LVDM. Цей протокол підтримують ІС SN65LVDM176, SN65LVDM050.

Мал. 5. Рівні сигналів у двопровідних інтерфейсах

p align="justify"> При проектуванні однопровідних інтерфейсів однією з центральних проблем є сполучення різних пристроїв з об'єднавчою або крос-платою (backplane systems), особливо якщо потрібна «гаряча заміна» вузлів. Як правило, на об'єднавчій платі прийнято єдині рівні сигналів, і завдання розробників периферійних плат полягає у правильному виборі засобів сполучення. Слід зазначити, що за довгу історію рівні ТТЛ стали стандартом де-факто для об'єднувальних плат і внутрішньофірмових (або внутрішньовідомчих) інтерфейсів. Тому при розвитку існуючих систем та застосуванні нової елементної бази виникає необхідність у поєднанні нових плат із загальною шиною. Для цього існує цілий набір рішень.

Як відомо, класичні ТТЛ та КМОП сімейства ІС забезпечують струм навантаження до 24 мА при мінімальному імпеданс лінії 50 Ом. З появою БіКМОП технології стало можливим досягти значення вихідного струму -32/64 мА та роботи на лінію з імпедансом 25 Ом. Для цього пристосовано сімейство ІС SN74ABT25xxx. Дані мікросхеми можуть бути також використані в системах так званої гарячої заміни модулів, знімні модулі можуть підключатися або відключатися по ходу роботи приладу.

При проектуванні модулів, що підключаються, необхідно виконати кілька вимог, які, по-перше, попередять поломку модуля при підключенні до працюючої системи і, по-друге, не призведуть до збоїв у роботі системи. Розглянемо їх.

Інтерфейс між підключається і основним модулями складається з шин живлення, землі та сигнальних шин. Модель мікросхеми, що підключається до системи, показано на рис. 6.

Мал. 6. Діоди на вході та виході ІС

Захист входів та виходів мікросхем здійснюється з використанням діодних ключів.

Для захисту виходів використовуються діоди Д3 та Д4. Діод D3 використовується у мікросхемах КМОП для захисту від електростатичних розрядів. Діод D4 захищає від напруги на виході меншого рівня логічного нуля.

При розробці модулів, що підключаються, краще використовувати мікросхеми БіКМОП, оскільки вони вигідно відрізняються від інших тим, що мають схему (рис. 7), яка тримає вихід мікросхеми в стані високого імпедансу в момент включення мікросхеми. Цей ланцюг стежить за напругою живлення і складається з двох діодів D1 та D2 та транзистора Q1, на базу якого подається напруга. При напругі живлення, яке менше встановленого (наприклад, для серії ABT/BCT VCOFF~2,5 В, для LVT VCOFF~1,8 В), вихід цього ланцюга перетворюється на стан логічної одиниці. При цьому він відключає сигнал на виході мікросхеми незалежно від вхідного. Ця властивість мікросхем БіКМОП гарантує, що поведінка схеми передбачувана навіть за дуже низької напруги живлення.

Мал. 7. Ланцюг, що відключає вихід при зниженій напрузі живлення в мікросхемах БіКМОП

При гарячому підключенні модуля поведінка системи буде передбачуваною, якщо дотримуються принаймні дві умови:

  • на розніманні є один або кілька контактів землі, висунутих вперед щодо інших контактів;
  • інтерфейс складається тільки з біполярних або БіКМОП мікросхем із тристабільними виходами або з виходами з відкритим колектором.

Проблема конфліктів на шині стоїть особливо гостро, коли зустрічаються вихідні сигнали різних рівнів – низького та високого. На рис. 8 показано цей процес. Струм, який виникає внаслідок конфлікту, досягає 120 мА, і в цій боротьбі виживає та мікросхема, яка має на виході низький рівень. Мікросхема з високим рівнем на виході працює в режимі короткого замикання та згоряє.

Мал. 8. Струм короткого замикання при конфліктах на шині

Щоб уникнути такого конфлікту, потрібна додаткова схема, яка під час включення харчування тримала б виходи у стані високого імпедансу.

Основним елементом цієї схеми може бути ІС TLC7705. Такі мікросхеми використовуються для створення сигналу RESET при включенні приладу. У нашому випадку висновки цієї мікросхеми підключаються до входів роздільної здатності шинних формувачів. Під час ініціалізації або увімкнення модуля сигнал RESET переводить виходи мікросхем у третій стан. При створенні таких схем зручно використовувати мікросхеми, які мають два входи ENABLE (наприклад, SN74ABT541). Це рішення показано на рис. 9.

Мал. 9. Моніторинг конфліктів на шині

Існують шинні формувачі, які вже містять у собі всі необхідні для захисту від шинних конфліктів компоненти – комутатори та резистори. Ці мікросхеми випускаються у двох серіях: ETL (Enhanced Transceiver Logic, серія SN74ABTE) та BTL (Backplane Transceiver Logic, серія SN74FB).

Мікросхеми серії ETL мають додатковий висновок для підключення напруги зарядки вихідної ємності мікросхеми, що називається VCCBIAS. Він живить схему, що заряджає конденсатор під час увімкнення модуля.

На рис. 10 показано схему інтерфейсу з використанням мікросхеми ETL. У момент включення модуля після під'єднання контактів VCC1 та GND на мікросхемі U3 з'являється напруга VCCBIAS. Одночасно включаються мікросхеми U2 та U1 і сигналом OE відключають виходи шинного формувача від шини.

Мал. 10. Схема інтерфейсу із використанням мікросхем серії ETL

Кидки напруги в ланцюгах живлення системи при підключенні модуля з'являються так само, як кидки в сигнальних ланцюгах. При цьому величина ємності, що заряджається, коливається від десятків до сотень мікрофарад і залежить від ємності блокуючих конденсаторів на підключається платі. Один із шляхів до обмеження стрибка напруги - включення в ланцюг живлення комутатора, який повільно вмикається. На рис. 11 запропоновано схему, в якій роль комутатора грає P-МОП транзистор. RC-ланцюжок забезпечує повільну зміну сигналу з урахуванням транзистора. Діод D швидко розряджає конденсатор після того, як модуль вимкнено.

Мал. 11. Схема повільного увімкнення модуля з використанням транзистора

Передбачається, що транзистор має малий опір у включеному стані. При роботі потужність, що розсіюється на транзисторі, невелика через невелике падіння напруги. При необхідності можна паралельно вмикати кілька транзисторів.

У модулях зручно використовувати власні джерела живлення.

На рис. 12 наведена схема джерела живлення, який отримує із системи від десяти до сорока вольт і перетворює їх імпульсним способом 5 В. Схема не дає кидка напруги при включенні.

Мал. 12. Децентралізоване джерело живлення

Література

  1. Стешенко В. Б. Школа схемотехнічного проектування пристроїв обробки сигналів. // Компоненти та технології, № , , 2000
  2. Стешенко В. Школа розробки апаратури цифрової обробки сигналів на ПЛІС Chip News, 1999 № 8-10, 2000, № 1, 3-5 .
  3. Стешенко В. ПЛІС фірми ALTERA: проектування пристроїв обробки сигналів. М: «Додека», 2000.
  4. Alicke F., Bartholdy F., Blozis S., Dehemelt F., Forstner P., Holland N., Huchzermier J. Comparing Bus Solutions, Application Report, Texas Instruments, SLLA067, March 2000.
  5. Стешенко В. ACCEL EDA: розробка друкованих плат. М.: "Нолідж", 2000, 512 с., іл.