Интерфейсы

Последовательный интерфейс

Последовательный порт или COM-порт (произносится "ком-порт", от англ. COMmunication port ) - двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для обмена байтовой информацией. Последовательный потому, что информация через него передаeтся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта). Наиболее часто для последовательного порта персональных компьютеров используется стандарт RS-232C. Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для сканера, модема или мыши. Сейчас он используется для соединения с источниками бесперебойного питания, для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем.

Варианты разъeма COM-порта типа DB-9F наиболее часто используются Д-образные разъeмы: 9- и 25-контактные, (DB-9 и DB-25 соответственно). Раньше использовались также DB-31 и круглые восьмиконтактные DIN-8. Максимальная скорость передачи обычно составляет 115 200 бит/с. Стандарт на него был разработан в 1969 году.

Универсальный асинхронный приeмопередатчик ( УАПП, UART, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ) - вид приeмопередатчика, устройства, которое переводит данные из последовательной в параллельную форму (и обратно). UART представляет собой отдельное устройство или является частью интегральной схемы, используется для передачи данных через последовательный порт компьютера или периферийного устройства. UART часто встраивают в микроконтроллеры.

Протокол RS-232 (англ. Recommended Standard 232) -стандарт последовательной синхронной и асинхронной передачи двоичных данных между терминалом (англ. Data Terminal Equipment, DTE ) и конечным устройством (англ. Data Communications Equipment, DCE ). RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 м. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

По структуре это обычный асинхронный последовательный протокол, то есть передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает. Данные передаются пакетами по одному байту (8 бит). Вначале передаeтся стартовый бит, противоположной полярности состоянию незанята ( idle ) линии, после чего передаeтся непосредственно полезная информация, от 5 до 8-ми бит. Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит - стоповый бит, говорящий о том, что передача завершена.

В конце байта, перед стоп битом, может передаваться бит четности ( parity bit ) CRC (для контроля качества передачи). На практике, в зависимости от качества применяемого кабеля, требуемое расстояние передачи данных в 15 метров может не достигаться, составляя, к примеру, порядка 1,5 м на скорости 115200 бод для неэкранированного плоского или круглого кабеля. Для преодоления этого ограничения, а также возможного получения гальванической развязки между узлами, можно применить преобразователи RS-232-RS-422 (с сохранением полной программной совместимости) или RS-232-RS-485 (с определeнными программными ограничениями). При этом расстояние может быть увеличено до 1 км на скорости 921600 бод и использовании кабеля типа "витая пара" категории 3.

P - Контрольный бит - этот бит используется для правильной передачи данных. SP-используются о окончании передачи данных. Используемые биты P, SP, ST задают формат передачи данных уровня RS232C. UART - это микросхема используемая как универсальный асинхронный приемодатчик.

Соединение

DTE (Data terminal equipment) - компьютер

DCE (Data communication equipment) - периферийные устройства

а) DTE-DCE

б) DTE-DTE

Состояние устройства

USB

USB (англ. Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырeхпроводный кабель, при этом два провода в дифференциальном включении используются для приeма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию "звезда").

USB 1.0

Спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

Технические характеристики:

USB 1.1

Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в версии 1.0.

USB 2.0

Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

USB OTG (аббр. от On-The-Go) - дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для лeгкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG

USB wireless - технология USB (официальная спецификация доступна с мая 2005 года). Позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

USB 3.0

Финальная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. Спецификации USB 3.0 разъeмы и кабели обновлeнного стандарта будут физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии - пару для приeма/передачи данных, одну - для питания и ещe одну - для заземления. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет пять новых линий (в результате чего кабель стал гораздо толще), однако новые контакты расположены параллельно по отношению к старым на другом контактном ряду. Скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с - что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. USB 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА.

Кабели и разъeмы USB 1.0 и 2.0

USB Тип A - 4x12 мм,USB Тип B - 7x8 мм, USB mini A - 2x7 мм, USB mini B - 2x7 мм.

Сигналы USB передаются по двум проводам четырeхпроводного кабеля

Здесь GND - цепь "корпуса" для питания периферийных устройств, VBus - +5 В,

Недостатки USB

Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаeтся. Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить большую пропускную способность для обмена данными с жeсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

FireWire

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) - последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Различные компании продвигают стандарт под своими торговыми марками:

Преимущества

Горячее подключение - возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера. Различная скорость передачи данных - 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600, 3200 Мбит/с IEEE 1394b). Гибкая топология - равноправие устройств, допускающее различные конфигурации (возможность "общения" устройств без компьютера)

Высокая скорость - возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени. Открытая архитектура - отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения. Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора Ампер и напряжение от 8 до 40 Вольт. Подключение до 63 устройств.

Шина IEEE 1394 может использоваться для:

Устройство может иметь до 4 портов (разъемов). В одной топологии может быть до 64 устройств. Максимальная длина пути в топологии - 16. Топология древовидная, замкнутые петли не допускаются. При присоединении и отсоединении устройства происходит сброс шины, после которого устройства самостоятельно выбирают из себя главное, пытаясь взвалить это "главенство" на соседа. После определения главного устройства становится ясна логическая направленность каждого отрезка кабеля - к главному или же от главного. После этого возможна раздача номеров устройствам.

Операции шины делятся на асинхронные и изохронные.

Асинхронные операции - это запись/чтение 32-битного слова, блока слов.

Изохронные операции - это передача пакетов данных в ритме 8 КГц, задаваемому ведущим устройством шины.

Разъeмы

Существуют три вида разъeмов для FireWire:

IrDA

IrDA - Infrared Data Association, ИК-порт, Инфракрасный порт - группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве носителя.

Является разновидностью атмосферной оптической линии связи ближнего радиуса действия.

Аппаратная реализация, как правило, представляет собой пару из передатчика, в виде светодиода, и приемника, в виде фотодиода расположенных на каждой из сторон линии связи. Наличие и передатчика и приемника на каждой из сторон является необходимым для использования протоколов гарантированной доставки данных.

IrPHY (Infrared Physical Layer Specification) - представляет обязательный протокол самого низкого уровня среди спецификаций IrDA. Соответствует физическому уровню сетевой модели OSI

Основные характеристики спецификации IrPHY выглядят следующим образом:

Интересно что спецификация не определяет максимальных допустимых значений для таких параметров как дальность или отклонение от оси, тем не менее типичное расположение устройств для организации соединения подразумевает расстояние от 5 до 50 сантиметров, на одной оси. Устройства с односторонней связью (например: пульт ДУ и телевизор), как правило, поддерживают дальность не менее 10 метров.

Скорости передачи данных делятся на несколько поддиапазонов - SIR, MIR, FIR, VFIR, UFIR каждый из которых характеризуется не только разными скоростями но и использованием различных кодовых схем.

IrLAP (Infrared Link Access Protocol) - обязательный протокол второго уровня, располагается поверх IrPHY, соответствует канальному уровню сетевой модели OSI.

IrLAP отвечает за:

Распределение первичной и вторичной ролей среди устройств

IrLAP делит все сообщающиеся устройства на одно первичное и остальные (одно и более) вторичное. Первичное устройство контролирует все Вторичные и может передавать им данные без "разрешения". Вторичное устройство может отправлять данные только по запросу с первичного.

IrLMP (Infrared Link Management Protocol) - обязательный протокол третего уровня. Соответствует сетевому уровню сетевой модели OSI. Состоит из двух подуровней - LM-MUX (Link Management Multiplexer) и LM-IAS (Link Management Information Access Service) . LM-MUX отвечает за: разделение потока данных на различные каналы связи. смену Первичных/Вторичных устройств. LM-IAS отвечает за: публикацию списка доступных сервисов. доступ клиентских устройств к опубликованным сервисам.

Bluetooth

Bluetooth "ВТ" (синий зуб) - это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации на небольшие расстояния посредством радиосвязи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любыми другими портативными устройствами.

Разработкой спецификации занимается группа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, компьютеров и сетей - 3Com, Agere Systems, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba. Эта группа, образовавшая Bluetooth Special Interest Group, и вывела данную технологию на рынок. Спецификация Bluetooth свободно доступна в Сети.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для промышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для ВТ используются радиоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота каналов F = 2402 + k (МГц) , где k - 0,...,78, возможен сокращенный вариант с F = 2454 + k (k = 0,...,22) . Кодирование простое - логической единице соответствует положительная девиация частоты, нулю - отрицательная.

Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100. МВт, причем должна быть возможность понижения мощности с целью экономии энергии. Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физический канал связи представляется определенной псевдослучайной последовательностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот).

Группа устройств, разделяющих один канал (то есть знающих одну и ту же последовательность перескоков), образует так называемую пикосеть (piconet) , в которую может входить от 2 до 8 устройств.

В каждой, пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться "припаркованные" ведомые устройства: они тоже "знают" последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с мастером, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока мастер не разрешит им активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер другим. При последующей активации оно уже может получить иной .

Между мастером и ведомыми устройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented) , используются для передачи изохронного графика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа "точка-точка" предварительно устанавливаются мастером с выбранными ведомыми устройствами, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повторных передач пакетов в случае ошибок приема нет. Мастер может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое устройство может иметь до трех связей с одним мастером или иметь по одной связи SCO с двумя различными мастерами. По сетевой классификации связи SCO относятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less) , реализуют коммутацию пакетов по схеме "точка-множество точек" между мастером и всеми ведомыми устройствами пикосети. Мастер может связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа.

Ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос мастера (безошибочно декодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматривается повторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Мастер может посылать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств мастер может установить лишь одну связь ACL.

Wi-Fi

Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity - "беспроводная точность") - стандарт на оборудование Wireless LAN.

Разработан консорциумом Wi-Fi Alliance на базе стандартов IEEE 802.11.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров "напрямую". Точка доступа передаeт свой идентификатор сети ( SSID ) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Mбит/с каждые 100 мс. Так что 0.1 Mбит/с - наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, приeмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала.

Преимущества Wi-Fi

Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, может уменьшить стоимость развeртывания и расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

Недостатки Wi-Fi

Примечание В США диапазон 2.5 ГГц разрешается использовать без лицензии, при условии, что мощность не превышает определенную величину, и такое использование не создает помех тем, кто имеет лицензию.

В России использование Wi-Fi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. Для легального использования внеофисной беспроводной сети Wi-Fi (например, радиоканала между двумя соседними домами) необходимо получение разрешения на использование частот. Действует упрощенный порядок выдачи разрешений на использование радиочастот в полосе 2400-2483,5 МГц.

LAN

Локальная вычислительная сеть (ЛВС, локальная сеть; (англ. Local Area Network, LAN - компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт).

Периферийные устройства использующие подключение через LAN могут соединяться между собой, используя различные медные проводники (витая пара).

Локальная вычислительная сеть может иметь шлюзы с другими локальными сетями, а следовательно все пользователи LAN смогут пользоваться ПУ.

Каждое Периферийное устройство обязано иметь IP адрес, соответствующий стандартам RFC 1918 и RFC 1597:

В случае совпадения IP адресов, у ПУ возникает конфликт адресов - это распространeнная ситуация в локальной сети, при которой в одной IP подсети оказываются два или более компьютеров с одинаковыми IP адресами.

Контрольные вопросы