. Понятие "интерфейса" системы обработки данных /СОД/.

13. Классификация шин и магистралей интерфейсов по функциональному назначению.

Автоматизация экспериментов по исследованию кинетических явлений

Курс лекций для студентов групп Ф7-241, 242, 243, 244

Лекция 4 «Интерфейсы измерительных систем»

1. Введение.

В общей схеме автоматизированного эксперимента не рассмотрен вопрос организации связи между отдельными частями схемы.

Необходимо согласовать сигналы и уметь их передавать, принимать, иначе говоря, обмениваться.

2. Понятие интерфейса

Интерфейс – способ взаимодействия систем.

Интерфейс описывает различные аспекты сопряжения элементов системы:

1. Механические, конструктивные

2. Электрические

3. Логические

Интерфейсы RS232, RS485, I2C, IrDA ...

http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/index.htm

Описание интерфейсов CAN, I2C, RS485, USB, LVDS

Интерфейс	Макс. скорость	Тип	Длина линий связи	Топология
CAN	1Mbps	Дифферен- циальная пара	1000m	полудуплекс, многоточечная
Centronics		Параллельный	1,8m	полудуплекс, точка-точка
I²C	400Kbps	Логический уровень	1m	полудуплекс, многоточечная
IrDA	115Kbps 4Mbps	Беспроводная	15m 1m
LVDS	655Mbps 1.923 Gbps	Дифферен- циальная пара
MIDI	31250bps	Токовая петля	15m
RS-232	115Kbps		15m	дуплекс, точка-точка
RS-485	10Mbps	Дифферен- циальная пара	1200m	полудуплекс, многоточечная
USB 1.1	12Mbps	Дифферен- циальная пара	5m	полудуплекс, точка-точка
USB 2.0	480Mbps	Дифферен- циальная пара		полудуплекс, точка-точка

Статьи:

Статьи по промышленным интерфейсам CAN, I2C, RS232, RS485, USB, LVDS

CAN интерфейс
(Control Area Network)

CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности. Цеколёвка разема приведена на рисунке.

Стандарт	ISO 11898
Скорость передачи	1 Мбит/с (максимум)
Расстояние передачи	1000 м (максимум)
Характер сигнала, линия передачи	дифференциальное напряжение, скрученная пара
Количество драйверов	64
Количество приемников	64
Схема соединения	полудуплекс, многоточечная

Предназначен для организации высоконадежных недорогих каналов связи в распределенных системах управления. Интерфейс широко применяется в промышленности, энергетике и на транспорте. Позволяет строить как дешевые мультиплексные каналы, так и высокоскоростные сети.

Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с. Пользователь выбирает скорость, исходя из расстояний, числа абонентов и емкости линий передачи.

Расстояние, м	25	50	100	250	500	1000	2500	5000
Скорость, Кбит/с	1000	800	500	250	125	50	20	10

Максимальное число абонентов, подключенных к данному интерфейсу фактически определяется нагрузочной способностью примененных приемопередатчиков. Например, при использовании трансивера фирмы PHILIPS PCA82C250 она равна 110.

Протокол CAN использует оригинальную систему адресации сообщений. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.

Протокол CAN обладает развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок. Для этих целей используется поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверка пакета сообщения CRC-полиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение правильного приема пакета данных. Хемминговый интервал d=6. Общая вероятность необнаруженной ошибки 4.7x10^-11.

Система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при "столкновениях" на шине.

Интерфейс с применением протокола CAN легко адаптируется к физической среде передачи информации. Это может быть дифференциальный сигнал, оптоволокно, просто открытый коллектор и т.п. Несложно делается гальваническая развязка.

Элементная база, поддерживающая CAN, широко выпускается в индустриальном исполнении.

		ENG 192Kb Control Area Network
		Rus CAN 2.0 A
		Rus CAN 2.0 В
		CAN протоколы высокого уровня
		Шины для бортовых автомобильных систем

Стандартный параллельный интерфейс на PC
Centronics

Основным назначением интерфейса Centronics (аналог-ИРПР-М) является подключение к компьютеру принтеров различных типов. Поэтому распределение контактов разъема, назначение сигналов, программные средства управления интерфейсом ориентированы именно на это использование. Вто же время с помощью данного интерфейса можно подключать к компьютеру и другие внешние устройства, имеющие разъем Centronics, а также специально разработанные УС.

Основным достоинством использования Centronics для подключения УС по сравнению с ISA является значительно меньший риск вывести компьютер из строя. Главный недостаток этого подхода - значительно меньшая скорость обмена. Назначение 36 контактов разъема Centronics приведено в таблице 1.

Таблица 1. Назначение контактов разъемов Centronics

Вывод	Наименование	Направление	Описание
1	/STROBE	Out	Strobe (Строб)
2	D0	Out	Data Bit 0
3	D1	Out	Data Bit 1
4	D2	Out	Data Bit 2
5	D3	Out	Data Bit 3
6	D4	Out	Data Bit 4
7	D5	Out	Data Bit 5
8	D6	Out	Data Bit 6
9	D7	Out	Data Bit 7
10	/ACK	In	Acknowledge (Подтверждение)
11	BUSY	In	Busy (Занято)
12	PE	In	Paper End (Конец бумаги)
13	SEL	In	Select (Выбор)
14	/AUTOFD	Out	Autofeed (Перевод строки)
15	/ERROR	In	Error (Ошибка)
16	/INIT	Out	Initialize (Инициализация)
17	/SELIN	Out	Select In (Выбор)
18	GND	-	Signal Ground (Корпус)
19	GND	-	Signal Ground (Корпус)
20	GND	-	Signal Ground (Корпус)
21	GND	-	Signal Ground (Корпус)
22	GND	-	Signal Ground (Корпус)
23	GND	-	Signal Ground (Корпус)
24	GND	-	Signal Ground (Корпус)
25	GND	-	Signal Ground (Корпус)

Сигналы Centronics имеют следующее назначение (тип выходных каскадов для всех сигналов - ТТЛ):

D0...D7 - 8-разрядная шина данных для передачи из компьютера в принтер. Логика сигналов положительная.

-STROBE - сигнал стробирования данных. Данные действительно как по переднему, так и по заднему фронту этого сигнала. Сигнал говорит приемнику (принтеру), что можно принимать данные.

-ACK - сигнал подтверждения принятия данных и готовности приемника (принтера) принять следующие данные. То есть здесь реализуется асинхронный обмен.

BUSY - сигнал занятости принтера обработкой полученных данных и неготовности принять следующие данные. Активен также при переходе принтера в состояние off-line или при ошибке, а также при отсутствии бумаги. Компьютер начинает новый цикл передачи только после снятия -АСК и после снятия BUSY.

-AUTO FD - сигнал автоматического перевода строки. Получив его, принтер переводит каретку на следующую строку.
Остальные сигналы не являются, вообще говоря, обязательными.

PE - сигнал конца бумаги. Получив его, компьютер переходит в режим ожидания. Если в принтер вставить лист бумаги, то сигнал снимается.

SLCT - сигнал готовности приемника. С его помощью принтер говорит о том, что он выбран и готов к работе. У многих принтеров имеет постоянно высокий уровень.

-SLCT IN - сигнал принтеру о том, что он выбран и последует передача данных.

-ERROR - сигнал ошибки принтера. Активен при внутренней ошибке, переходе принтера в состояние off-line или при отсутствии бумаги. Как видим, здесь многие сигналы дублируют друг друга.

-INIT - cигнал инициализации (сброса) принтера. Его длительность не менее 2,5 мкс. Происходит очистка буфера печати.
Временная диаграмма цикла передачи данных представлена на рисунке 1.

Рис.1. Временные диаграммы цикла передачи данных в Centronics
(все временные интервалы в наносекундах).

Перед началом цикла передачи данных компьютер должен убедиться, что сняты сигналы BUSY и -ACK. После этого выставляются данные, формируется строб, снимается строб, и снимаются данные. Принтер должен успеть принять данные с выбранным темпом. При получении строба принтер формирует сигнал BUSY, а после окончания обработки данных выставляет сигнал -ACK, снимает BUSY и снимает -ACK. Затем может начинаться новый цикл.

Все сигналы интерфейса Centronics передаются в уровнях ТТЛ и рассчитаны на подключение одного стандартного входа ТТЛ. Максимальная длина соединительного кабеля по стандарту - 1,8 м.

Как видно из таблицы 1.10, в интерфейсе Centronics для подключения к компьютеру произвольных УС мы можем использовать 17 линий, назначение которых можно выбирать по своему усмотрению.

Формирование и прием сигналов интерфейса Centronics производится путем записи и чтения выделенных для него портов ввода/вывода. В компьютере может использоваться три порта Centronics, обозначаемых LPT1 (базовый адрес 378h), LPT2 (базовый адрес 278h) и LPT3 (базовый адрес 3BCh). При этом LPT3 используется в том случае, когда контроллер принтера находится на плате графического адаптера Hercules или EGA. Прерывания портов принтеров (IRQ5 для LPT2 и IRQ7 для LPT1) используются очень редко.

Базовый адрес порта используется для передачи принтеру байта данных. Установленные на линиях данные можно считать из этого же порта.

Следующий адрес (базовый + 1) служит для чтения битов состояния принтера (бит 3 соответсвует сигналу -EEROR, бит 4 - сигналу РЕ, бит 6 - сигналу -ACK, бит 7 - сигналу BUSY). Последний используемый адрес (базовый + 2) предназначается для записи битов управления принтером (бит 0 соответствует сигналу -STROBE, бит 1 - сигналу -AUTO FD, бит 2 - сигналу -INIT, бит 3 - сигналу -SLCT IN и наконец бит 4, равный единице, разрешает прерывание от принтера).

Документация

ENG 78Kb Описание интерфейса centronics

Интерфейс USB

Введение

Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Технические характеристики

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s

Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m

Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s

Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m

Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127

Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI

Напряжение питания для периферийных устройств - 5 V

Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.

Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.

Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Кабели и разъемы

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю


Предназначены только для подключения к источнику, т.е. к компьютеру или хабу	Предназначены только для подключения к периферийному устройству

Номер контакта	Назначение	Цвет провода
1	V BUS	Красный
2	D-	Белый
3	D+	Зеленый
4	GND	Черный
Оплетка	Экран	Оплетка

Здесь GND - цепь "корпуса" для питания периферийных устройств, VBus - +5V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D- для приема данных.

Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

Разъемы, используемые для подключения периферийных устройств, показаны на рисунке выше.

Спецификация:

		1778Kb Engl Универсальная синхронная шина USB 1.1
		7826Kb Engl Универсальная синхронная шина USB 2.0
		RUS Разъемы USB

Последовательный интерфейс
RS-232

Обзор стандарта 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

Последовательный интерфейс RS-485

· Современные микросхемы драйверов RS-485 фирмы MAXIM

· Обрежьте жирок с RS-485

· Правильная разводка сетей RS-485

Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников.

Стандарт	EIA RS-485
Скорость передачи	10 Мбит/с (максимум)
Расстояние передачи	1200 м (максимум)
Характер сигнала, линия передачи	дифференциальное напряжение, скрученная пара
Количество драйверов	32
Количество приемников	32
Схема соединения	полудуплекс, многоточечная

IrDA

Непрерывное развитие информационных технологий требует постоянного увеличения эффективности обработки и передачи информации. Очевидно, идеальная линия передачи данных должна иметь невысокую стоимость, иметь минимальный расход энергии, обладать высокой пропускной способностью и, что весьма желательно, должна быть беспроводной. Обычно словом wireless (беспроводный - англ.) обозначают связь с использованием радиосигнала. Однако, не стоит забывать, что канал передачи информации можно создать и с помощью оптических устройств, то есть, попросту говоря, с помощью света. Опыт показывает, что среди других беспроводных линий передачи информации инфракрасный (ИК-) открытый оптический канал является самым недорогим и удобным способом передачи данных на небольшие расстояния (до нескольких десятков метров). В частности, он эффективен для обеспечения беспроводной связи между персональным компьютером и периферийными устройствами.

Что такое IrDA?

В 1979 году компания Hewlett-Packard объявила о начале продаж нового калькулятора, главной особенностью которого являлось наличие у него инфракрасного порта для вывода информации на печать. После этого в течение нескольких лет разработчиками электронного оборудования была предложена целая серия приборов и устройств, использующих для передачи информации открытый оптический канал в инфракрасном диапазоне. Однако, все эти устройства не могли получить широкого распространения вследствие своей несовместимости. Поэтому в 1993 году была основана Infrared Data Association (IrDA), международная некоммерческая организация, ставящая своей целью разработку единых стандартов, используемых для организации инфракрасных линий передачи информации.

Первым стандартом, принятым IrDA, был, так называемый, Serial Infrared standart (SIR). Данный стандарт позволял обеспечивать передачу информации со скоростью 115,2 kb/s. В 1994 году IrDA опубликовала спецификацию на общий стандарт, получивший название IrDA-standart, который включал в себя описание Serial Infrared Link (дословно - Последовательная Инфракрасная линия связи), Link Access Protocol (IrLAP) (Протокол доступа) и Link Management Protocol (IrLMP) (Протокол управления). Уже в 1995 году несколько лидеров на рынке электроники выпустили серию продуктов, использующих для передачи информации по открытому оптическому каналу IrDA-standart. И, наконец, в ноябре 1995 года Microsoft Corporation заявила о внесении программного обеспечения, обеспечивающего инфракрасную связь, использующую IrDA-standart, в стандартный пакет операционной системы Windows'95. В настоящее время IrDA-standart - самый распространенный стандарт для организации передачи информации по открытому инфракрасному каналу.

Примеры схем IrDA-интерфейса.

В общем виде схема организации IrDA - канала выглядит примерно так, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Типовая блок-схема организации IrDA-канала

Канал передачи данных состоит из двух основных элементов: микросхемы, обеспечивающей модуляцию и демодуляцию поступающего двоичного сигнала согласно определенного алгоритма, и инфракрасного (ИК-) приемно-передающего модуля.

В настоящей статье мы рассмотрим SIR-стандарт, обеспечивающий скорость передачи информации 115,2kb/s. В данном стандарте используется так называемая модуляция "3/16". Принцип данного вида модуляции проиллюстрирован на рис.2.

Принцип модуляции "3/16", используемый в SIR-стандарте.

Длительность импульса, подаваемого на приемно-передающий модуль равна 3/16 от длительности номинального бита данных. Кроме того, при SIR-модуляции используется инверсия бита данных. Эти преобразования обеспечиваются первым основным элементом схемы - модулирующей микросхемой. В зависимости от используемого интерфейса (шины данных) применяются различного рода чипы.

Пример организации IrDA-канала c использованием I/O-интерфейса.

I/O - интерфейс. В компьютерных системах для управления периферийными устройствами используется I/O-интерфейс. Интерфейсные микросхемы последних разработок, как правило, могут обеспечивать управление ИК-линией передачи данных и имеют отдельный вывод для подключения ИК приемно-передающего модуля. К таким микросхемам следует отнести следующие чипы:

- PC87334VLJ, PC87334VJG (National Semiconductors);
- FDC37C665IR, FDC37C666IR (SMC).

Пример подобного рода схемы показан на Рис. 3.

UART. Во многих электронных приборах обмен информацией осуществляется помощи

UART - универсального асинхронного ресивера-трансивера. В этом случае для создания IrDA-канала используются микросхемы:

- HSDL-7000, HSDL-7001 (Agilent Technologies); - TOIM3000 (Vishay).

RS-232. Во многих схемах бывает необходимо и удобно организовать ИК-связь через последовательный порт RS-232. В этих случаях, для кодировки сигнала в соответствии с IrDA-стандартом, используются два элемента: конвертер уровней RS-232 (например, MAX232, HIN232 и т.п.) и, собственно, микросхема кодировки сигнала: HSDL-7000, HSDL-7001 (Agilent Technologies), TOIM3232 (Vishay). (Рис. 5).

Рис. 5.

Общие положения и введение в логику работы шины I²C

Шина I²C

Отличительные особенности

Двунаправленный обмен по двум линиям

Высокая скорость обмена - до 100 кбит и выше

Возможность адресации до 128 устройств

Простота программной реализации "Master"-абонента

Временная независимость процесса передачи

Данное введение является формальным описанием шины I²C и предназначено только для достаточно подробного ознакомления с целью самостоятельной реализации частных алгоритмов связи. Для получения более полной информации обращайтесь к соответствующей литературе фирмы Philips.

Разработанная фирмой Philips шина I²C ("Inter-Integrated Circuit"), - это двунаправленная асинхронная шина с последовательной передачей данных и возможностью адресации до 128 устройств. Физически шина I²C содержит две сигнальные линии, одна из которых (SCL) предназначена для передачи тактового сигнала, вторая (SDA) для обмена данными. Для управления линиями применяются выходные каскады с открытым коллектором, поэтому линии шины должны быть подтянуты к источнику питания +5 В через резисторы сопротивлением 1...10 кОм, в зависимости от физической длины линий и скорости передачи данных. Длина соединительных линий в стандартном режиме может достигать 2-х метров, скорость передачи - до 100 кбит/с. Суммарная емкость линий должна быть не больше 400 пФ, входная емкость на каждую ИС должна быть в пределах 5...10 пФ.

Все абоненты шины делятся на два класса - "Master" и "Slave". Устройство "Master" генерирует тактовый сигнал (SCL) и, как следствие, является ведущим. Оно может самостоятельно выходить на шину и адресовать любое "Slave" - устройство с целью передачи или приема информации. Все "Slave"-устройства "слушают" шину на предмет обнпружения собственного адреса и, распознав его, выполняют предписываемую операцию. Кроме того, возможен так называемый "Multi Master" - режим когда на шине установлено несколько "Master"-абонентов, которые либо совместно разделяют общие "Slave"-устройства, либо попеременно являются то "Master"-устройствами, когда сами инициируют обмен информацией, то "Slave", когда находятся в режиме ожидания обращения от другого "Master"-устройства. Режим "Multi Master" требует арбитража и распознавания конфликтов. Естественно, он сложнее в реализации (имеется ввиду программная реализаци) и, как следствие, реже используется в реальных изделиях.

В начальный момент времени - в режиме ожидания - обе линии SCL и SDA находятся в состоянии логической единицы (транзистор выходного каскада с ОК закрыт). В режиме передачи (рис. 1) бит данных SDA стробируется положительным импульсом SCL. Смена информации на линии SDA производится при нулевом состоянии линии SCL. "Slave"-устройство может "придерживать" линию SCL в нулевом состоянии, например, на время обработки очередного принятого байта, при этом "Master"-устройство обязано дождаться освобождения линии SCL, прежде чем продолжить передачу информации.

Рис. 1. Диаграмма процесса передачи данных по шине I²C

Для синхронизации пакетов шины I²C различают два условия - "Start" и "Stop", ограничивающие начало и конец информационного пакета (рис. 2). Для кодирования этих условий используется изменение состояния линии SCL, что недопустимо при передаче данных. "Start"-условие образуется при отрицательном перепаде линии SDA, когда линия SCL находится в единичном состоянии, и наоборот, 'Stop"-условие образуется при положительном перепаде линии SDA при единичном состоянии линии SCL.

Рис. 2. Диаграмма "Старт"/"Стоп" условия шины I²C

Рис. 3. Диаграмма подтверждения приема байта по шине I²C

Передача данных начинается по первому положительному импульсу на линии SCL (рис. 3), которым стробируется старший бит первого информационного байта. Каждый информационный байт (8 битов) содержит 9 тактовых периодов линии SCL. В девятом такте устройство-получатель выдает подтверждение (ACK) - отрицательный импульс, свидетельствующий о "взаимопонимании" передатчика и получателя. Сразу отметим, что любой абонент шины, как "Master", так и "Slave" может в разные моменты времени быть как передатчиком, так и получателем и в соответствии с режимом обязан либо принимать, либо выдавать сигнал ACK, отсутствие которого интерпритируется как ошибка.

Рис. 4. Временная диаграмма работы шины I²C

Временная диаграмма сигналов SCL и SDA шины I²C приведена на рис. 4. Здесь S обозначает "Start"-условие, Р - "Stop"-условие. Значения временных характеристик приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения временных характеристик шины I²C

Параметр	Обозначение	Мин.	Макс.	Един.
Частота сигнала SCL	f_SCL	0	100	кГц
Свободная шина	t_BUF	4.7	--	мкс
Фиксация "Start"-условия	t_HD;STA	4.0	--	мкс
Длительность "LOW" полупериода SCL	t_LOW	4.7	--	мкс
Длительность "HIGH" полупериода SCL	t_HIGH	4.0	--	мкс
Готовность повторного "Start"-условия	t_SU;STA	4.7	--	мкс
Удержание данных	t_HD;DAT	0	--	мкс
Готовность данных	t_su;dat	250	--	нс
Фронт сигналов SCL и SDA	t_r	--	1000	нс
Спад сигналов SCL и SDA	t_f	--	300	нс
Готовность "STOP"-условия	t_SU;STO	4.0	--	мкс

Чтобы начать операцию обмена устройство "Master" выдает на шину "Start"-условие, за которым следует байт с адресом "Slave"-устройства (рис. 5), состоящий из семибитового адреса устройства (занимает биты 1...7) и однобитового флага операции - "R/W" (бит 0) определяющего направление обмена, причем 0 означает передачу от "Master" к "Slave" (рис. 5 а), а 1 - чтение из "Slave" (рис. 5б). Все биты передаются по шине I²C в порядке старший-младший, то есть первым передается 7-ой бит, последним 0-ой. За адресои могут следовать один или более информационных байтов (в направлении, определенном флагом R/W), биты которых стробируются сигналом SCL из "Master"-устройства.

При совершении операции чтения "Master"-абонент должен сопровождать прочитанный байт сигналом ACK, если необходимо прочитать следующий байт, и не выдавать сигнала ACK, если собирается закончить чтение пакета (рис. 5б).

Допускается многократное возобновление "Slave"-адреса в одном цикле передачи, то есть передача повторного "Start"-условия без предварительного "Stop"-условия. Такой принцип широко применяется в управлении I²C абонентами, когда выдача нового "Start"-условия служит для синхронизации начала нового пакета данных, сопровождаемого, например, новым управляющим словом, уточняющим адресацию пакета. Логическая реализация протоколов на шине I²C не нормируется документами фирмы Philips, содержащими формальные описания шины, и может быть произвольной для каждой конкретной ИС.

Введение в LVDS

1.0.0 Введение в LVDS

LVDS означает передачу информации дифференциальными сигналами малых напряжений ( Low Voltage Differential Signaling ). Это направление передачи данных использует очень малые перепады дифференциального напряжения ( до 350 мВ ) на двух линиях печатной платы или сбалансированного кабеля.

1.1.0 Тенденции в LVDS

Потребители требуют всё более достоверной передачи видеоинформации в пределах оффиса или домашней обстановки. Эта потребность вызвана необходимостью передачи видео, 3-D графики, фотоизображений от видеокамер к персональному компьютеру, данных на принтер через сетевые устройства типа LAN, телефонии, и сигналов спутниковых систем на домашний телеприёмник, сигналов цифровых камкордеров. Задача состоит сегодня в высокоскоростной передаче цифровых данных как на очень малые так и на очень большие расстояния, или в пределах одной печатной платы или по волоконным и спутниковым сетям. Передача таких данных от платы к плате или от прибора к прибору, как бы не требовала экстремально высокой производительности, тем не менее должна требовать минимальной мощности потребления, обеспечивать минимум внутренних шумов, быть относительно не чувствительной к внешним шумам и быть естественно дешёвой. Во всяком случае, существующие на сегодняшний день предложения являются компромиссными сочетаниями этих четырёх составляющих: производительности, мощности потребления, шума и цены.

1.2.0 Обеспечение скорости при малых шумах и потребляемой мошности

LVDS - метод передачи цифровых данных дифференциальными сигналами с малыми перепадами уровня со скоростью до сотен и даже нескольких тысячь мегабит в секунду (Mbps).

Малые перепады уровня и токовый режим выхода передатчика обеспечивают малый уровень шума и очень малую потребляемую мощность во всём диапазоне скоростей передачи.

1.2.1 Как LVDS действует

Упрощенная схема соединения LVDS передатчика с приёмником через 100 Ом линию

LVDS выход, спроектированный фирмой National Semiconductor, содержит источник тока ( номиналом 3.5 мА) нагруженный на дифференциальную пару линии передачи.

Основной приёмник имеет высокий входной импеданс, поэтому основная часть выходного тока передатчика протекает через 100 Ом резистор терминатора линии, создавая на нём падение напряжения до 350 мВ, приложенное к входу приёмника. При переключении выхода передатчика направление протекания тока через терминатор меняется на противоположное, обеспечивая достоверные логические состояния “0” или “1”.

1.2.2 Почему метод дифференциальный с малыми перепадами?

Дифференциальный метод передачи используется в LVDS поскольку обладает меньшей чувствительностью к общим помехам чем простая однопроводная схема. Дифференциальный метод передачи использует двухпроводную схему соединения с формированием перепадов инверсией тока или напряжения в отличие от однопроводной простой схемы передачи информации.Достоинством дифференциального метода является то, что шумы наводящиеся на двухпроводной линии симметричны и не нарушают дифференциального сигнала к которому чувствителен приёмник. Дифференциальный метод так же обладает меньшей чувствительностью к искажениям сигнала от внешних магнитных полей. Токовый выход передатчика LVDS не склонен к “звону” и выбросам фронтов, что в целом снижает уровень шума в линии передачи.

Поскольку дифференциальные технологии, в том числе и LVDS, менее чувствительны к шумам, то в них возможно использование меньших перепадов напряжения. Это достоинство является решающим, т.к. невозможно достичь высокой производительности и минимума потребляемой мощности одновременно без снижения перепадов напряжения на входе. Формирование малых перепадов напряжения на выходе передатчика достижимо при более высоких скоростях. Токовый режим передатчика обеспечивает очень низкий, всегда постоянный уровень потребления во всём диапазоне частот. Выбросы фронтов передатчика очень незначительны, поэтому ток потребления не увеличивается экспоненциально при увеличении скорости передачи. В целом мощность потребления передатчика ( 3.5 мА350 мВ 1.2 мВт ) весьма низка.

1.2.3 Стандарты LVDS

Технология LVDS отражена в двух стандартах:

TIA/EIA (Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Association) - ANSI/TIA/EIA-644 (LVDS) стандарт

IEEE (Institute for Electrical and Electronics Engineering) - IEEE 1596.3

Общий мультисистеммный LVDS стандарт ANSI/TIA/EIA-644 разработан комитетом TIA Data Transmission Interface TR30.2. Данный стандарт определяет выходные характеристики передатчиков и входные характеристики приёмников, т.е. он определяет только электрические характеристики. Он не ограничивает функциональные спецификации, протоколы, характеристики кабелей, соединений, т.е. он независим от конкретных применений.

ANSI/TIA/EIA стандарт требует поддержки другими стандартами специфицирующими законченный интерфейс (кабели, соединители, протоколы и т.д.). Это позволяет успешно адаптировать данный стандарт для различных применений.

Стандарт ANSI/TIA/EIA реккомендует максимальную производительность в 655Mbps, и оговаривает теоретическкий максимум в 1.923 Gbps ограниченный потерями в среде распространения. Это позволяет по стандарту специфицировать требуемую максимальную производительность зависящую от качества сигнала, длины и типа среды распространения.

Стандарт так же оговаривает минимальные требования к линии связи, безопасные условия работы приёмника в случаях отказов аппаратуры и другие конфигурационные ограничения, такие как одновременная работа множества приёмников. Стандарт ANSI/TIA/EIA-644 был утверждён в Ноябре 1995 г. National Semiconductor является разработчиком этого стандарта и председательствует в подкомитете ответственном за электрические TIA интерфейсные стандарты. Настоящее издание стандарта 644 версии пересмотрено и дополнено информацией о работе на множество приёмников. Пересмотренный стандарт известный как TIA-644-A утверждён в 2000 г.

Другой LVDS стандарт относится к проектам IEEE. Этот стандарт является попыткой развития стандарта для целей объединения процессоров в мультипроцессорных системах или объединения рабочих станций в группу. Эта программа SCI интерфейса ( Scalable Coherent Interface) оригинально описывает дифференциальный интерфейс ECL обеспечивающий высокую скорость передачи информации, но не наклкдывает ограничений на потребляемую мощность и степень интеграции.

Стандарт SCI-LVDS малой мощности был позже определён как часть SCI и описан в IEEE1596.3 стандарте. Стандарт SCI-LVDS так же описывает уровни сигналов ( электрические спецификации) характеризующиеся по отношению к ANSI/TIA/EIA стандарту как высокоскоростной/ малой мощности SCI интерфейс физического уровня.Стандарт определяет и методы кодирования пакетов информации используемых в SCI передаче данных. Стандарт IEEE 1596.3 принят в Марте 1996. National Semiconductor возглавляет данный комитет стандартизации. Интерес представляет развитие широкого стандарта не определяющего однозначно технологию процесса комплектующих, среду распространения, напряжение питания определённых в перечисленных двух стандартах. Это означает, что LVDS сможет применяться в КМОП, Арсенид-Галлиевых или других первичных микросхеммных технологиях, преодолеет +5 В барьер питания до +3.3 В и даже ниже, сможет применяться не только для передачи информации на печатных платах и через кабель, и тем самым обеспечит чрезвычайно широкий круг применений во многих отраслях индустрии.

1.2.4 Сравнение технологий дифференциальной передачи данных

Приведённая таблица позволяет быстро сравнить основные параметры LVDS метода с параметрами других наиболее часто используемых методов. Из таблицы видно, что LVDS имеет в два раза меньший уровень перепада напряжения по сравнению с PECL методом и одну десятую от перепада RS-422 и традиционных уровней ТТЛ/КМОП. Важным достоинством LVDS является то что характеристики приёмников и передатчиков не зависят на прямую от напряжения питания схемы, например от +5 В. Поэтому LVDS легко преодолевает барьеры по снижению напряжения питания до 3.3 В и даже 2.5 В без изменения электрических уровней сигналов передачи и производительности. И наоборот технологии ECL и PECL имеют большую зависимость от напряжения питания, что делает весьма затруднительным переход к более низким напряжениям питания в системах использующих данные технологии.

1.2.5 Простота согласования

Поскольку среда распространения LVDS сигналов состоит из кабеля или двухпроводной линии на печатной плате с легко контролируемым дифференциальным импедансом, то такая линия должна заканчиваться терминатором с импедансом данной линии для завершения токовой петли и подавления искажений коротких импульсов. При отсутствии согласования, сигналы отражаются от несогласованного конца линии и могут интерферироватьс другими сигналами. Правильное соласование так же подавляет нежелательные электромагнитные наводки, обеспечивая оптимальное качество сигналов.

Для предотвращения отражений, LVDS требует применения терминатора в виде простого резистора с расчётным значением сопротивления равным дифференциальному сопротивлению линии распространения. Наиболее часто используется 100 Ом среда и терминатор. Этот резистор заканчивает токовую петлю и предотвращает отражения сигналов, он располагается на конце линии передачи, по возможности на минимальном расстоянии от входа приёмника.

Простота схемы согласования LVDS позволяет лёгкое использование терминатора в большинстве применений.ECL и PECL может потребовать более сложного устройства согласования чем один резистор в LVDS. PECL передатчик обычно требует 220 Ом подтягивающего к земле резистора у каждого выхода передатчика и 100 Ом резистора на входе приёмника.

1.2.6 Максимальная скорость переключения

Вопрос максимальной скорости переключения LVDS интерфейса достаточно сложен и ответ на него зависит от нескольких факторов. Этими факторами являются производительность передатчика и приёмника, полоса пропускания среды распространения и требуемое качество сигнала в применении.

При очень быстром выходе передатчика ограничения на производительность объясняются:

Скоростью ТТЛ данных поставляемых LVDS передатчику - точнее производительностью устройств доставляющих ТТЛ/КМОП сигналы LVDS передатчику.

Полосой пропускания выбранной среды распространения ( кабеля), типа и длины.

В случае использования LVDS драйвера DS90LV047A скорость ограничена только темпом выдачи ТТЛ данных на вход драйвера.

Устройства формирования канальных сигналов фирмы National Semiconductor ограничивают скорость передачи в процессе формирования группового канального сигнала из множества ТТЛ сигналов путём их последовательной передачи в едином LVDS канале.

1.2.7 Энергосбережение

LVDS технология обеспечивает сбережение энергии по нескольким направлениям. Мощность рассеиваемая нагрузкой ( 100 Ом терминатор) составляет менее 1.2 мВт. Для сравнения, RS-422 передатчик обеспечивает 3 В на нагрузке 100 Ом, что составляет 90 мВт потребления - это в 75 раз больше чем LVDS. Микросхемы LVDS изготавливаются по КМОП технологии, благодаря чему имеют малое статическое потребление. Схемотехника передатчиков и приёмников LVDS требует не более десятой части потребляемого тока PECL/ECL устройств.

Помимо малой рассеиваемой мощности на нагрузке и статического потребляемого тока, LVDS имеет меньшее потребление и благодаря токовому режиму работы схемы передатчика. Эта схема сильно подавляет составляющие тока потребления зависящие от частоты переключения передатчика. Зависимость тока потребления LVDS передатчика от частоты переключения практически постоянна в диапазоне частот от 10МГц до 100 МГц, и для счетверённого передатчика DS90C031132 составляет менее 50 мА.Для сравнения ТТЛ/КМОП передатчик потребляет мощность возрастающую по экспоненциальному закону от частоты.

1.2.8 Конфигурации LVDS

Наиболее часто LVDS передатчик и приёмник используются в конфигурации точка- точка, как показано на рисунке. Однако возможны и другие топологии- конфигурации.

На данном рисунке приведена топология двунаправленной передачи сигнала через витую пару.

Одновременно данные могут передаваться только в одном направлении. Необходимость в двух терминаторах ослабляет сигналы ( и запас по дифференциальным шумам), поэтому данная конфигурация может применяться в случае малых шумов и дальность передачи не превышает 10 метров.

Многоточечная конфигурация объединяет множество приёмников с одним передатчиком. Данная конфигурация встречается в системах распределения информации, а так же в системах с множеством близко расположенных приёмников.

Надо отметить что LVDS технология обеспечиват наивысшее качество стгналов в конфигурации точка-точка, ради которой и создавалась. Но в целом LVDS имеет множество достоинств и может стать очередным важным стандартом передачи данных со скоростями от постоянного тока до сотен мегабит в секунду, на небольшие расстояния до десятков метров.

В этой роли LVDS значительно превышает возможности 20 Kbps - 30 Mbps наиболее распространённых интерфейсов RS-422, RS-232 и RS-485.

1.3.0 Экономичный интерфейс - экономит финансы

LVDS может обеспечить экономию финансов по нескольким направлениям:

LVDS решения фирмы National Semiconductor изготавливаются по недорогой КМОП технологии, в отличие от других производителей.
Высокая производительность достижима при использовании дешёвых кабелей марки CAT3, соединителей и материалов FR4.
LVDS требует очень малой мощности питания, что снижает количество источников питания и охлаждающих устройств.
LVDS является источником весьма малых шумов и слабо подвержена искажающему воздействию внешних шумов, в том числе и электромагнитного характера.
LVDS приёмники относительно дёшевы и могут быть легкко встроены в цифровые микросхемы обеспечивая высочайший уровень интеграции.
Поскольку LVDS способна передавать информацию значительно быстрее ТТЛ/КМОП, то множество ТТЛ/КМОП сигналов может быть объединено или мультиплексировано в один LVDS канал, что исключает необходимость затрат на дополнительные платы, кабели и соединители.

Оригинальный чипсет National Semiconductor Channel Link конвертирует ТТЛ шину в компактный поток LVDS и обратно.

Достоверно известно что во многих применениях стоимость дополнительных микросхем LVDS значительно ниже стоимости заменяемых ими плат, кабелей и соединителей. Кроме того, отсутствие дополнительных механических деталей упрощает и удешевляет изделие в целом.

1.4.0 Применения LVDS

Высокая производительность и малые мощность / шум / стоимость LVDS расширяют границы её применения взамен традиционных технологий.

Ниже приведены такие примеры:

PC/Computing Telecom/Datacom Consumer/Commercial

Персональные компьютеры: Flat панели , шины мониторов, соединения SCI процессоров, шины принтеров, цифровые копиры, системмные кластеры, шины мультимедиа периферии.

Передача данных: трансляция, адресная мультиплексия, хабы

Потребительские системы: видео шины, телевизоры, игровые дисплеи и т.д.

1.5.0 Широкий спектр LVDS продукции National Semiconductor

National Semiconductor предлагает LVDS технологии в нескольких формах. Например 5 В микросхемы DS90С032 и 3 В DS90LV047A/048A счетверённые линейные приёмники/передатчики встраивают LVDS технологию в изделия дискретной техники обшего назначения. Эти семейства приёмников/передатчиков содержат так же одиночные и сдвоенные устройства.

Для соединения переносных компьютеров с LCD панелями высокого разрешения, NS предлагает микросхемы шины FPD-Link ( Flat Panel Display Link) и LDI интерфейса ( LVDS Display Interface). Эти изделия обеспечивают широкую полосу пропускания, малую потребляемую мощность, малые геометрические размеры, для мониторов XGA/SXGA/UXGA как переносных ноутбуков так и PC.

Другим наиболее важным применением LVDS является семейство микросхем Channel Link, которые преобразуют 21, 28 или 48 бит ТТЛ данных в 3, 4 или 8 LVDS каналов данных плюс тактовый сигнал. Эти устройства обеспечивают формирование высокоскоростного потока данных ( до 5.4 Gbps) и используются в супербыстродействующих сетевых серверах или маршрутизаторах, или везде где требуются дешёвые, скоростные шины данных. Эти формирователи потоков LVDS везде позволяют экономить затраты на систему за счёт экономии кабелей, соединителей, физических размеров.

Шины LVDS являются развитием семейства дискретных линейных LVDS приёмников/передатчиков. Они специально разработаны для многоточечных применений, и согласованы с обоих концов линий передачи. Такие формирователи могут использоваться в мощных связных панелях где эффективный импеданс линий может отличаться от 100 Ом в сторону меньших сопротивлений. По этой причине передатчики могут нагружаться на нагрузки до 30 - 50 Ом. Выходной ток передатчика составляет величину 10 мА для обеспечения необходимого перепада напряжения на такой нагрузке. В данном семействе микросхем доступны так же приёмопередатчики и повторители. Изготавливается так же семейство10- битных формирователей цифровых LVDS потоков, которые поддерживают функцию добавления и извлечения тактового сигнала из цифрового потока. Некоторые демультиплексеры цифрового потока впервые в промышленности реализуют функцию случайного ключа данных.

Демультиплексеры функционируют непосредственно от потока и не требуют фазовой автоподстройки частоты.

Множество специальных изделий проектируются с использованием технологии LVDS.

Такие микросхемы обеспечивают дополнительную функциональность по сравнению с обычными изделиями. Например, изготавливается специальный тактируемый трансивер с 6 КМОП выходами ( DS92CK16), анонсирован линейный многоточечный переключатель.

Более 75 LVDS изделий предлагает рынку National Semiconductor. Для получения последних новостей и дополнительной информации по технологии LVDS можно посетить специальный сайт: www.national.com/appinfo/lvds/

1.6.0 Заключение

Изделия LVDS технологии фирмы National Semiconductor изменяют наши представления о скоростях, мощности, шума, и цен в области высокопроизводительной передачи цифровой информации. Поэтому, LVDS не только улучшает существующие достижения но и открывают новые перспективы в развитии цифровой техники.

LVDS Owner's Manual - 2nd Edition

		(Engl 2012Kb) Entire Document (101 pages)
		(Engl 393Kb) Chapter 1: "Introduction to LVDS" (8 pages) Explains how LVDS works and where the standard came from.
		(Engl 460Kb) Chapter 2: "LVDS Advantages" (8 pages) Includes 3 case studies showing the total cost and performance of LVDS versus other technologies.
		(Engl 492Kb) Chapter 3: "Selecting an LVDS Device / LVDS Families" (6 pages) A selection guide for PHYs, Serializers/Deserializers, Bus, and Special Function LVDS devices.
		(Engl 688Kb) Chapter 4: "Designing with LVDS" (22 pages) PCB and other design tips for creating high-performance, low noise LVDS applications.
		(Engl 461Kb) Chapter 5: "Cables, Connectors and Performance Testing" (14 pages) Some general guidelines for selecting cables and connectors and measuring signal quality.
		(Engl 475Kb) Chapter 6: "Backplane Design Considerations and Bus LVDS" (13 pages) Design considerations for backplane based systems and an overview of the NEW Bus LVDS family.
		(Engl 1235Kb) Chapter 7: "LVDS Evaluation Kits" (15 pages) A description of available eval kits and instructions for using the NEW Generic LVDS Evaluation Board
		(Engl 356Kb) Chapter 8: "Reference" (4 pages) Information on how to order the LVDS standard.
		(Engl 388Kb) Chapter 9: "National's LVDS Website" (4 pages) What you can find online on our LVDS website.
		(Engl 408Kb) Glossary: "Glossary of terms used" (2 pages)

Технология беспроводной связи BLUETOOTH в фокусе решений National Semiconductor

Необходимость иметь связь преследует нас повсюду: дома, на работе, в процессе игры. Пионерские разработки по беспроводной связи Bluetooth компании National Semiconductor очень успешно пересекаются с нашими целеустремлениями. С помощью полного спектра решений, от высококачественных, оптимизированных интегральных схем до завершенных опорных разработок, решение задачи беспроводной связи становится простым и быстрым, не принуждая пользователя к глубокому изучению протоколов радиосвязи, а менеджеров проектов к необходимости сертификации радиочастотного тракта. Собственно обзору Bluetooth-решений National Semiconductor и посвящена данная статья…

Старт данной технологии дал ряд компаний, обслуживающих рынки компьютерного и телекоммуникационного оборудования ( Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia). В мае 1998 года они официально представили специальную рабочую группу (SIG - Special Interest Group), перед которой была поставлена задача внедрения новой технологии беспроводной связи. Название технологии Bluetooth заслуга отнюдь далеко не дантистов, а слава датского короля викингов Гарольда Блютуса (Harald Bluetooth), жившего в 910-940-х годах, за объединение Дании и Норвегии. Таким образом, полагалось, что технология Bluetooth призвана объединять, в частности, компьютерный мир и мир портативной электроники.

В состав рабочей группы вскоре вошли 3 COM / Palm , Axis Communication , Motorola , Compaq , Dell , Qualcomm , Lucent Technologies , UK Limited , Xircom , а в настоящее время более 1400 компаний занимаются развитием открытой технологии Bluetooth.

В отличие от конкурирующей технологии инфракрасной связи IrDA (Infrared Direct Access), которая обеспечивает связь по принципу "точка-точка" в зоне прямой видимости, технология Bluetooth дополнительно поддерживает возможность многоточечной связи и, при этом, не требует прямой видимости.

Устройства, поддерживающие стандарт Bluetooth, работают в нелицензируемом частотном диапазоне 2,45 ГГц ISM (Industrial, Scientific, Medical - промышленный, научный и медицинский диапазон) и способны передавать данные на скорости до 1 Мбит/с, на расстоянии до 10 метров, поддерживается возможность передачи голоса.

Стандарт Bluetooth подразумевает использование технологии FHSS - скачкообразную перестройку частоты (1600 скачков/секунду) с расширением спектра. При работе передатчик переходит с одной рабочей частоты на другую, используя для этого псевдослучайный алгоритм. Для полнодуплексной передачи используется дуплексный режим с временным разделением (TDD). Поддерживается изохронная и асинхронная передача данных, а также легко достигается связь с TCP/IP. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Особенностью устройств на основе стандарта Bluetooth также является способность соединяться друг с другом, формируя так называемые пикосети ( piconet ), в каждую из которых может входить до 256 устройств: одно из них является ведущим (Master), еще семь - подчиненными (Slave), а остальные находятся в дежурном режиме. Пикосети могут перекрываться, при этом, к ресурсам ведомых устройств может быть осуществлен доступ. Перекрывающиеся пикосети могут образовать распределенную сеть, через которую могут передаваться данные.

В настоящее время для разработчиков технология Bluetooth доступна в виде конструктивно завершенных модулей или микросхем, которые выпускаются рядом известных фирм, например, Ericsson, Fujitsu , Atmel и др. Однако, в фокус данной статьи попала компания National Semiconductor , которая выпускает модули Bluetooth, соответствующие различным версиям одноименного стандарта. Основными причинами такого внимания к продукции National Semiconductor являются простота и высокая скорость освоения предлагаемых модулей, а также их высокая серийноспособность. Производитель гарантирует удовлетворить любые запросы по серийности, при этом, учитывает постоянное расширение рынка устройств на основе технологии Bluetooth [1].

Обзор предложения National Semiconductor

В состав предложения National Semiconductor входят небольшое количество элементов, которые можно разделить на три группы: модули Bluetooth, сертифицированные под требования стандарта версии 1.2; семейство Simply Blue и стандартный набор микросхем, отвечающих требованиям стандарта Bluetooth версии 1.1. Подробная сравнительная характеристика данных групп дана в таблице 1.

Рисунок 1. Принцип построения Simply Blue

В состав первой группы входят микромодуль LMX 5452 и радиотрансивер LMX 5252. Они в первую очередь ориентированы на приложения с высокими техническими характеристиками, малым размером, низкой стоимостью и, при этом, с малым энергопотреблением. При их разработке National стремился сделать их «лучшими в своем классе» по простоте проектирования, системной интеграции и высокой серийности производства.

Одной из целей, которую постоянно преследует компания National Semiconductor, является обеспечение простоты применения технологии Bluetooth в целевой системе. Как результат достижения данной цели стало появление нового семейства модулей Simply Blue [2]. Каждый модуль данного семейства содержит полностью интегрированный протокольный стек Bluetooth, специализированные прикладные профили, а также интерпретатор команд высокого уровня (см. рисунок 1). Реализация набора команд высокого уровня позволяет конечному пользователю избавиться от необходимости экспертизы Bluetooth. Кроме того, за счет интегрирования всего стека и всех профилей Bluetooth достигается незначительность загрузки главного процессора, что высвобождает процессорное время на решение прикладных задач, а также исключается необходимость переноса технологии Bluetooth в авторизированную операционную систему главного процессора.

Для упрощения и ускорения этапов проектирования на основе модулей Simply Blue , выпускается разносторонний набор для проектирования, включающий демонстрационные платы и детализированную техническую документацию.

В состав стандартных Bluetooth -устройств входят две интегральные схемы радиочастотного трансивера и Bluetooth -процессора, выполненного по RISC -архитектуре. ИС характеризуются гибкостью, экономичностью и производством по КМОП - технологии. Они обладают лучшим среди конкурирующих аналогов значением отношения производительность/мА на у.е. стоимости.

Таблица 1. Состав предложения Bluetooth-устройств компании National Semiconductor

Сертифицированные решения под версию стандарта Bluetooth 1.2

Семейство Simply Blue, сертифицированное под версию стандарта 1.1

Стандартные Bluetooth - устройства, сертифицированные под версию стандарта 1.1

Отличительные особенности:

Микромодуль LMX5452:

· содержит контроллер управления радиосвязью и радиотрансивер на 2,4 ГГц;

· соединяет управляющий (главный) процессор через интерфейс HCI с антенной;

· технология КМОП 0,18 мкм;

· встроенная программа управления интерфейсом с главным процессором;

· дополнительный генератор 32,768 кГц для экономичных режимов;

· чувствительность приемной антенны – 80 дБ;

· класс мощности 2;

· рабочее напряжение 2.5…3.6В;

· ввод-вывод 1.6…3.6В;

· синхронизация 10…20МГц;

· потребление не более 43 мА;

· поддержка 2 голосовых каналов;

· корпус BGA-60 (6 мм x 9 мм ) ;

· интерфейсы: УАПП (до 921.6 кбит/с, USB 2.0 ( 12 Мбит/с), I²C и SPI / Microwire, аудио-интерфейс AAI с внешним 8/13- разр. ИКМ-кодеком,

· одновыводной радиоинтерфейс ( Rx / Tx ).

Радиочастотный трансивер LMX5252 на частоту 2,4 ГГц:

· соединяет процессор радиосвязи через интерфейс BlueRF с антенной;

· поддержка большинства особенностей интегрированного радиотрансивера LMX5452;

· рабочее напряжение 2.5…3.0В;

· ввод - вывод 1.9…3.3 В ;

· корпус LLP -36 (6мм x 6мм x 0.8мм).

Модуль последовательного порта Simply Blue LMX 9820А ( Bluetooth 1.1):

· предварительно сертифицированный модуль последовательного порта Bluetooth;

· простота использования набора команд высокого уровня ускоряет процесс интегрирования в приложение;

· встроенные стек и профили Bluetooth для минимальной загрузки главного процессора;

· встроенные флэш-память и ОЗУ;

· ядро CompactRISC;

· поддержка пикосети с многоточечной связью;

· чувствительность приемника -81 дБм;

· класс выходной мощности 2;

· напряжение питания 2,85…3,6В;

· потребление не более 68 мА;

· 116-выв. корпус BGA с шагом выводов 1.0 мм;

· малое посадочное место (10 x 14 x 2 мм);

· УАПП (до 921,6 кбит/сек);

· аудио-интерфейс AAI .

Модуль последовательного порта Simply Blue LMX 9830 ( Bluetooth 2.0):

· наследует многие особенности LMX 9820А, но с учетом требований 2.0;

· корпус BGA 60 , шаг 0.8 мм;

· малое посадочное место (6 x 9 x 1.2 мм ) .

СБИС трансивера диапазона 2,4ГГц LMX 5250, выполненного по технологии КМОП 0,25 мкм :

· оптимизированная архитектура, которая требует только несколько внешних компонентов;

· расширенное управление энергопотреблением и работа при напряжении 2В;

· встроенная схема калибровки радиотракта для минимальных затрат времени на тестирование при производстве;

· хорошая чувствительность для увеличения дальности связи;

· последовательный интерфейс для передачи данных и команд управления;

· поддержка уровней мощности класса 2 и 3;

СБИС Bluetooth -процессора LMX 5100, выполненного по RISC - архитектуре:

· специализированное «ядро» Bluetooth , которое существенно снижает требования к производительности Bluetooth -узла;

· встроенные флэш-память и статическое ОЗУ позволяют реализовать полный спектр возможностей Bluetooth -узла без использования внешней памяти;

· поддержка нескольких интерфейсов с главным процессором ( USB , УАПП, CAN , SPI и Microwire );

· поддержка PCM (импульсно-кодовая модуляция) для подключения аудио-кодека;

· совместно с LMX 5250 получается компактное и экономичное Bluetooth -решение;

· 48-выв. корпуса для обеих СБИС.

Области применения:

· Сотовые телефоны

· Персональные цифровые помощники

· Персональные компьютеры

· Персональные цифровые помощники

· Торговые терминалы

· Системы сбора данных

· Аудиомаршрутизаторы

· Информационные приборы

· Сотовые телефоны

· Персональные компьютеры

· Периферийные устройства

· Персональные цифровые помощники

· Цифровые камеры

Далее остановимся на более подробном рассмотрении основ построения и функционирования одного более перспективного модуля LMX 9820А[3] семейства Simply Blue , ввиду высокой простоты работы с ним (через команды высокого уровня), высокой гибкости (множество режимов работы, профилей, способов построения сети), отсутствия необходимости сертификации и др.

На рисунке 2 представлена структурная схема модуля последовательного порта Bluetooth LMX9820A, выполненного на основе архитектуры 16-разрядного процессора CompactRISC ™ и технологии Digital Smart Radio . Он интегрирует радиочастотный трансивер, контроллер управления радиосвязью и память на подложке FR 4. В состав модуля входят все необходимые программные и аппаратные компоненты для получения завершенного решения, которое начинается с антенны, интегрирует верхние и нижние слои стека Bluetooth , поддерживает слои поддержки приложения ( GAP , SDAP и SPP ) и завершается интерфейсом связи с управляющим (главным) процессором ( HCI ). LMX9820A характеризуется малым посадочным местом (10.1 x 14.1 x 2.0 мм), что существенно упрощает проектирование компактных систем. Кроме того , LMX9820A является предварительно сертифицированным решением . Благодаря этому достигается быстрота вывода конечной системы на рынок, при этом, гарантируется высокая степень совместимости и взаимодействия.

Функции управления радиосвязью и линией связи выполнены на основе 16-разрядного процессора CompactRISC и процессора управления линией связи ( LMP ). Данные процессоры работают со встроенными флэш-памятью и ОЗУ под управлением встроенного программного кода, который отвечает за выполнение всех Bluetooth-функций.

LMP удовлетворяет требованиям Bluetooth версии 1.1 и выполняет следующие функции:

Поддержка типов сегментных пакетов 1, 3 и 5;

79-канальная схема генерации прыгающей частоты;

Быстрая скачкообразная перестройка частоты (1600 скачков/сек);

Управление энергопотреблением ;

Корреляция кодов доступа и восстановление сегментной синхронизации.

Интегрированный стек верхнего слоя предварительно квалифицирован и содержит следующие протокольные слои: L2CAP, RFComm,SDP.

Встроенная программа обеспечивает полную автономность LMX 9820 A , исключая необходимость применения внешнего модуля с протокольным слоем Bluetooth . LMX9820A поддерживает следующие профили : Generic Access Profile (GAP), Service Discovery Application Profile (SDAP) и Serial Port Profile (SPP). Встроенные профили могут использоваться как интерфейсы с дополнительными профилями, выполняемые в главном процессоре. LMX9820A содержит конфигурируемую сервисную базу данных для ответа на запросы с поддерживаемыми профилями.

Модуль может работать как в подчиненных, так и в ведущем режимах работы (см. таблицу 2). В подчиненном режиме модуль работает автоматически, исключая необходимость внешнего блока управления. В прозрачном режиме работы данные, передаваемые через УАПП, не требуют представления в специальном формате и не воспринимаются интерпретатором команд. В режиме ведущего предлагается простой, но гибкий интерфейс для стандартных Bluetooth -операций, в т.ч. запрос, обнаружение службы и связь по последовательному порту. Встроенная программа поддерживает работу с максимум тремя подчиненными.

Рисунок 2. Структурная схема модуля LMX9820A

Таблица 2. Режимы работы модуля LMX 9820 A

Автоматический

Командный

Прозрачный

Принудительный ведущий

· модуль подключаемый и обнаруживаемый;

· автоматически отвечает на сервисные запросы;

· интерпретатор команд «слушает» команды и при необходимости конфигурирует линию связи;

· поддерживается весь перечень команд ;

· при подключении с другим устройством модуль отправляет ответ главному о том, где был подключен порт RFComm, и переходит к прозрачному режиму .

· LMX 9820 A не проверяет секцию подключений по умолчанию во флэш-памяти;

· при подключении с другим устройством переход к прозрачному режиму не выполняется, а продолжается интерпретирование данных, передаваемых по УАПП, как команд.

· LMX 9820 A выполняет передачу данных из интерфейса УАПП непосредственно через линию связи Bluetooth .

· после активизации модуль игнорирует данные УАПП, как команды конфигурации и управления;

· используется только для организации двухточечной связи;

· для выхода из режима необходимо отправить модулю сигнал UART _ BREAK .

· LMX 9820 A действует как точка доступа для многоточечного соединения;

· он принимает линию, если от подключенного устройства принято переключение роли «ведущий/подчиненный»;

· после успешного осуществления связи LMX 9820 A будет ведущим и может организовать дополнительные входящие линии.

Память

LMX 9820 A содержит 256 кбайт программируемой флэш-памяти, которая может использоваться, как для хранения программы, так и для хранения данных (констант). Флэш-память также содержит адрес ( BDADDR ) контроллера информационного доступа (MAC), совместимого с IEEE 802. За счет поддержки внутрисистемного программирования ISP пользователь может изменить содержимое флэш-памяти, как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации. Для хранения переменных и организации буферов данных в LMX 9820 A также встроено ОЗУ.

Порт управления и транспорта

LMX9820A содержит один универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП). Он поддерживает 8-разрядный формат данных с опциональным паритетом и одним или двумя стоп-битами. Скорость связи генерируется внутренне и программируется в процессе запуска. Альтернативно настройки скорости связи могут быть считаны из внутренней памяти. УАПП может работать на следующих скоростях: 2.4, 4.8, 7.2, 9.6, 19.2, 38.4, 57.6, 115.2, 230.4, 460.8 и 921.6 кбит/с. С помощью сигналов RTS , CTS поддерживается аппаратное управление передаваемым потоком.

Вспомогательные порты:

Reset _5100 и Reset _ b # - входы сброса контроллера радиосвязи и радиотрансивера с активным низким уровнем, соответственно. Как правило, они соединяются вместе и подключаются к главному процессору для управления инициализацией (см. рисунок 3).

Env 0 и Env 1 – выводы задания рабочей среды (см. рисунок 3).

ISEL 1, ISEL 2 – входы инициализации интерфейса УАПП (см. рисунок 3).

Lstat _0, Lstat _1, TX _ Switch _ P , Host _ wu - выходы состояния модуля и линии связи (см. [3, стр.15]).

При передаче команд управления через УАПП используется следующий формат данных:

Начальный разделитель	Идентификатор типа пакета	Код операции	Длина данных	Контрольная сумма	Пакет данных	Конечный разделитель
1 байт	1 байт	1 байт	2 байт	1 байт	N байт	1 байт
	------------контрольная сумма------------

Подробности по идентификаторам и кодам операций можно узнать в [3, стр. 27-31].

В заключение предлагается ознакомиться с типовой схемой включения модуля LMX 9820 A (см. рисунок 3). В ней для согласования с антенной установлен блокировочный конденсатор 6,8 пФ, хотя в зависимости от сопротивления выбранной антенны он может и не понадобиться. Очень важно, чтобы на плате с LMX 9820 A были корректно выполнены общие слои и фильтрация питания. Рекомендуется установить фильтрующие конденсаторы 10 пФ и 0,01 мкФ, как можно более близко к выводам питания ( H 2 и H 12). Цепи синхронизации также должны быть максимально близкими к модулю. Параметры нагрузочных конденсаторов Ct 1, Ct 2 зависят от параметров выбранного кварцевого резонатора (методика определения приведена в документации [3, стр.18]).

Рисунок 3. Схема включения модуля LMX9820A

Перечень ссылок:

Документация:

		593 Kb Engl Документация на модуль LMX9820A
		Rus Описание LMX9820A

6.3. Интерфейс системной шины

http://ruseti.ru/evm/6.3.htm

Системная магистраль является узким местом ЭВМ, так как все устройства, подключенные к ней, конкурируют за возможность передавать свои данные по ее шинам.

Системная магистраль - это среда передачи сигналов управления, адресов, данных, к которой параллельно и одновременно может подключаться несколько компонентов вычислительной системы. Физически системная магистраль представляет собой параллельные проводники на материнской плате, которые называются линиями. Но это еще и алгоритмы, по которым передаются сигналы, правила интерпретации сигналов, дисциплины обслуживания запросов, специальные микросхемы, обеспечивающие эту работу. Весь этот комплекс образует понятие интерфейс системной магистрали или стандарт обмена.

Исторически все интерфейсы СМ ведут свою родословную от стандарта IBM MULTGBUS, для которого фирмой был разработан комплект микросхем (chipset). Этот стандарт мог обслуживать передачу 8- и 16-битовых данных, работать в мультипроцессорном режиме с несколькими ведущими устройствами. Понятие “ведущее/ведомое устройство” могло динамически переопределяться с помощью сигналов управления (например, контроллер ПДП в режиме программирования - ведомое устройство, а в активном режиме -ведущее). Для этого стандарта характерно наличие следующих линий: 20 линий адресов, 16 линий данных, 50 управляющих и служебных линий.

Для IBM PS-2 разработанстандарт Микроканал - МСА (Micro Channel Architecture) в 1987 г. В нем 24-разрядная шина адреса. Шина данных увеличена до 32 бит. Отказались от перемычек и переключателей, определяющих конфигурацию технических средств, и ввели CMOS-память (Complementary Metal Oxyde Semicondactor), позволяющую хранить эту информацию и при отключении питания. Все оборудование, подключаемое к системной магистрали, содержит специальные регистры POS (Programmable Option Select), позволяющие конфигурировать систему программным путем. При тактовой частоте 10 МГц скорость передачи данных составляла 20 Мбайт/с.

Для IBM PC XT был разработан стандарт ISA (Industry Standart Architecture), который имеет две модификации - для XT и для АТ. В ISA XT шина данных - 8 бит, шина адресов - 20 бит, шина управления - 8 линий. В ISA АТ шина данных увеличена до 16 бит. Встречаются и 32-битовые ISA, но это - нестандартизированное расширение. Тактовая частота для работы СМ в стандарте ISA составляет 8 МГц. Производительность ISA XT - 4 Мбайт/с, ISA АТ - от 8 до 16 Мбайт/с.

Стандарт EISA (Extended ISA) - это жестко стандартизованное расширение ISA до 32 бит. Конструктивно совместима с ISA-адаптерами внешних устройств. Предназначена для многозадачных систем, файл-серверов и систем, в которых требуется высокоэффективное расширение ввода-вывода. При тактовой частоте 8.33 МГц скорость передачи данных составляла 33 Мбайт/с.

Стандарт VESA (VESA Lokal Bas или VLB) разработан Ассоциацией стандартов видеоданных (Video Electronics Standart Association) как расширение стандарта ISA для обмена видеоданными с адаптером SVGA. Обмен данными по этому стандарту ведется под управлением микросхем, расположенных на карте, устанавливаемой в специальный слот (разъем) расширения VLB и соединяемой с СМ через стандартный слот расширения. В отличие от стандартных слотов расширения слот VLB связан с микропроцессором напрямую, минуя системную магистраль. Карта VLB, работая совместно с системной магистралью, реализующей стандарт ISA, обеспечивает 32-разрядную передачу данных с тактовой частотой микропроцессора (но не более 40 - 50 МГц). В стандартные слоты материнской платы с интерфейсом VLB устанавливаются карты расширения с интерфейсом ISA. Производительность стандарта VLB достигает 132 Мбайт/с.

Стандарт PCI (Peripheral Component mterconnect) разработан фирмой Intel для ЭВМ с МП Pentium. Это не развитие предыдущих стандартов, а совершенно новая разработка. Системная магистраль в соответствии с этим стандартом работает синхронно с тактом МП и осуществляет связь между локальной шиной МП и интерфейсом ISA, EISA или МСА. Но поскольку для этого интерфейса используются микросхемы, выпускаемые другими фирмами (Satum - для 486, Mercury, Neptune, Triton - для Pentium), скорость работы СМ реально'составляет 30 - 40 Мбайт/с при теоретически возможной 132/ 264 Мбайт/с. Стандарт PCI разрабатывался как процессорно-независимый интерфейс. Помимо Pentium с этим интерфейсом могут работать и МП других фирм (Alpha корпорации DEC, MIPS R4400 и Power PC фирм Motorola, Apple и IBM). Стандарт PCI позволяет реализовать дополнительные функции: автоматическую конфигурацию периферийных устройств (которая позволяет пользователю устанавливать дополнительные платы, не задумываясь над распределением прерываний, каналов ПДП и адресного пространства); работу при пониженном напряжении питания; возможность работы с 64-разрядным интерфейсом. "Слоевая" структура интерфейса PCI снижает электрическую нагрузку на МП и позволяет одновременно управлять шестью периферийными устройствами, подключенными к СМ. Стандарт PCI позволяет использовать "мосты" (Bridges) для организации связи с другими стандартами (например, PCI to ISA Bridge).

Стандарт USB (Universal Serial Bus) - универсальный последовательный интерфейс, обеспечивающий обмен со скоростью 12 Мбайт/с и подключение до 127 устройств.

Стандарт PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) - интерфейс блокнотных ПЭВМ для подключения расширителей памяти, модемов, контроллеров дисков и стриммеров, сетевых адаптеров и др. Системная магистраль, выполненная по этому стандарту, имеет минимальное энергопотребление, ШД - на 16 линий, ША - на 24 линии.

Данное описание не является официальным документом, оно взято из документа Специальной группы PCI http://www.pcisig.com/ и переведено на русский язык. Возможны некоторые неточности, но, как нам показалось, оно будет полезно для разработчиков устройств PCI. Автор перевода: Коломоец Алексей Николаевич, Новосибирский Государственный Технический Университет, факультет АВТ, кафедра Вычислительной техники. С автором перевода можно связаться по электронному адресу: alexey1@avt.cs.nstu.ru

Описание сигналов шины PCI.

Для обработки данных, адресации, управления интерфейсом, арбитража и некоторых системных функций интерфейсу PCI требуется как минимум47 выводов для целевого устройства и 49 выводов - для “управителя”. На рисунке 1 показаны функциональные группы выводов: слева указаны необходимые выводы, а справа - необязательные. Указание на рисунке направления сигналов подразумевает комбинацию ведущего/целевого устройства.

Рисунок 1: Список выводов PCI

Описание типов сигналов

Input - стандартный входной сигнал .

Totem Pole Output - стандартный активный драйвер.

Tri-Stateâ - это двунаправленный, с тремя состояниями, входной/выходной вывод.

Sustained Tri-State - подчиненный активный низкий сигнал с тремя состояниями, управляемый одним и только одним агентом в одно и то же времени. Агент, который управляет низким уровнем выводов s/t/s, должен сделать его “высоким” хотя бы один раз перед тем, как оставить в свободном состоянии. Новый агент не может начать управлять сигналом s/t/s, пока не пройдет один такт после того, как предыдущий “владелец” сигнала переведет его в свободное состояние. Повышение уровня требуется для поддержания неактивного состояния, пока другой агент не начнет управлять сигналом, что обеспечивается центральным ресурсом.

Open Drain - открытый коллектор - позволяет использовать количество устройств путем объединения их по “ИЛИ”.

Функциональные группы выводов

Описания выводов PCI объединены в функциональные группы, которые показаны на рисунке 1. Символ # в конце наименования сигнала показывает, что активное состояние сигнал имеет при низком уровне напряжения. Когда символ # отсутствует, сигнал активен при высоком уровне напряжения. Способ подачи сигнала, используемый для каждого вывода, показан после названия сигнала.

Системные выводы

CLK входной

Clock обеспечивает синхронизацию всех транзакций на PCI, а также является входным для каждого PCI - устройства. Все другие сигналы PCI, за исключением RST#, IRQ#, IRQB#, IRQC# и IRQD#, являются дискретными по фронту CLK, а другие временные параметры определяются относительно этой границы. PCI функционирует при частоте до 33 MHz, а в общем случае минимальная частота составляет 0 Гц.

RST# входной

Reset используется для приведения специфичных для PCI регистров, секвенсоров и сигналов к соответствующему состоянию. К какому же эффекту приводит сигнал RST# для устройства, если PCI-секвенсор не поддерживает спецификацию PCI, за исключением начальных состояний регистров, которые требуются для конфигурации PCI? В любое время, когда присутствует сигнал RST#, необходимо привести все выходные сигналы PCI в нужное состояние. В общем случае это означает, что они должны быть тристабильными. Далее изменяется сигнал SERR# (открытый коллектор). Сигналы SBO# и SDONE² можно установить в логически низкий уровень при условии, что выходы с тремя состояниями не поддерживаются. Сигналы REQ# и GNT# оба должны быть тристабильными (во время сброса ими нельзя управлять по высокому или низкому уровню). Для предотвращения изменения сигналов AD, C/BE# и PAR центральное устройство может управлять этими линиями в течение инициализации шины, но только по логическому низкому уровню - по высокому уровню управление невозможно.

RST# может становиться активным или неактивным асинхронно по отношению к сигналу CLK. Несмотря на асинхронность, приведение сигнала в неактивное состояние гарантируется для “чистого” фронта, свободного от биений (искажений). За исключением случая, когда требуется доступ для конфигурации, после инициализации могут “откликаться” только те устройства, которым требуется перезагрузить систему.

Адресные выводы и выводы данных

AD[31::00] t/s

Адрес и данные мультиплексированы на одних и тех же выводах PCI. Транзакция шины состоит из фазы адреса , сопровождаемой одним или большим количеством фаз данных. PCI поддерживает как чтение блоками, так и запись. Фаза адреса - это временной цикл, в котором активен FRAME#. В течение фазы адреса в AD[31::00] содержится физический адрес (32 бита). При вводе-выводе это - адрес байта, для конфигурации и памяти это - адрес двойного слова (DWORD). Когда идут фазы данных, AD[07::00] содержит младший значащий байт (lsb), а в AD[31::24] содержится старший значащий байт(msb). Записываемые данные “устойчивы” и правильны, когда активен сигнал IRDY#, а читаемые данные “устойчивы” и правильны, когда активен TRDY#. Данные передаются во время активности сигналов IRDY# и TRDY#.

C/BE[3::0] t/s

Выводы Bus Command и Byte Enables (“команды шины и разрешение байта”) мультиплексированы на одних и тех же выводах PCI. Во время фазы адреса транзакции, C/BE[3::0]# определяет команду шины. В течение фазы данных C/BE[3::0]# используется в качестве Byte Enable. Byte Enable допустим для всей фазы данных и определяет, какие части байта несут значимые данные. C/BE[0]# применяется к байту 0 (lsb), а C/BE [3]# применяется к байту 3 (msb).

PAR t/s

Parity - это контроль по четности по линиям AD[31::00] и C/BE[3::0]#. Для Генерирование контрольного кода по четности требуется для всех агентов PCI. Сигнал PAR стабилен и допустим в течение одного такта после фазы адреса. Для фаз данных PAR стабилен и допустим в течение такта после того, как будет активен IRDY# - при транзакции записи, или TRDY# - при транзакции чтения. Если присутствует только сигнал PAR, то это остается в силе только в течение одного такта после завершения текущей фазы данных. (PAR имеет ту же самую синхронизацию, что и AD[31::00], но с задержкой на один такт). “Хозяин” шины управляет сигналом PAR для фаз адреса и фаз данных при записи; подчиненное же устройство управляет сигналом PAR для фаз данных при чтении.

Интерфейсные управляющие выводы

FRAME# s/t/s

Cycle Frame (циклический временной интервал) управляется текущим “управителем” для указания начала и продолжительности доступа. FRAME# становится активным, когда надо указать начало транзакции шины. Пока FRAME# активен, идет передача данных. Когда сигнал FRAME# становится неактивным, транзакция переходит в заключительную фазу данных.

IRDY# s/t/s

Initiator Ready (готовность инициализации) показывает способность агента инициализации (“управителя” шины) завершить текущую фазу транзакции данных. IRDY# используется вместе с TRDY#. Фаза данных завершается в любой момент времени, когда активны IRDY# и TRDY#. Во время записи, IRDY# показывает, что на линиях AD[31::00] присутствуют достоверные данные. При чтении это показывает, что мастер готов к приему данных. Циклы ожидания вставляются до тех пор, пока активны IRDY# и TRDY#.

TRDY# s/t/s

Target Ready (целевое устройство готово) показывает способность целевого агента (выбранного устройства) завершить текущую фазу данных транзакции. Сигнал TRDY# используется совместно с IRDY#. Фаза данных завершается в любом такте, когда активны оба сигнала TRDY# и IRDY#. При чтении TRDY# указывает, что на линиях AD[31::00] присутствуют достоверные данные. Во время записи это означает готовность целевого устройства к принятию данных. Циклы ожидания вставляются до тех пор, пока активны оба IRDY# и TRDY#.

STOP# s/t/s

Stop показывает, что текущее подчиненное устройство посылает “управителю” запрос на останов текущей транзакции.

LOCK# s/t/s

Lock показывает элементарную операцию, которой для завершения требуется множество транзакций. Неисключительные транзакции при активном LOCK# могут выполняться с адресом, который в текущий момент не блокирован. Разрешение исполнения транзакции на шине PCI не гарантирует контроля над LOCK#. Контроль над LOCK# можно получить в его собственном протоколе и при наличии GNT#. В то время, как единственный мастер монопольно управляет выводом LOCK#, возможно использование шины PCI различными агентами. Если устройство реализует исполняющую память (Executable Memory), то оно также должно установить LOCK# и гарантировать полное исключение доступа в этой памяти. Целевое устройство для доступа, поддерживающее LOCK#, должно обеспечить исключение минимум 16 байтов (с учетом выравнивания). Для главных интерфейсов, находящихся после системной памяти, также необходимо выполнить LOCK#.

IDSEL входной

Initialization Device Select (выбор устройства инициализации) используется для выбора кристалла при транзакциях чтения конфигурации и записи.

DEVSEL# s/t/s

Когда активным выводом Device Select (выбор устройства) управляют, он показывает, что управляющее устройство дешифрировало данный адрес как цель текущего доступа. DEVSEL# в качестве входа показывает, было ли выбрано на шине какое-то устройство.

Арбитражные выводы (только для мастеров шины)

REQ# t/s

Сигнал Request (запрос) показывает арбитру, что данному агенту требуется поработать с шиной. Этот сигнал - типа “от одного пункта к другому”. Каждый мастер имеет свой собственный вывод REQ#.

GNT# t/s

Сигнал Grant (разрешение) показывает агенту, что разрешен доступ к шине. Этот сигнал типа “от одного пункта к другому”. Каждый мастер имеет свой собственный вывод GNT#.

Выводы для сообщения об ошибках

Выводы для сообщения об ошибках требуются⁵ всем устройствам:

PERR# s/t/s

Вывод Parity Error (ошибка контроля по четности) предназначен только для сообщения об ошибках контроля по четности во время всех транзакций PCI, за исключением специального цикла (Special Cycle). Вывод PERR# - три-стабильный и должен активно управляться агентом, получающим данные в течение двух тактов, после того, как обнаружена ошибка контроля данных по четности. Минимальная продолжительность PERR# - один такт для любой фазы данных, у которой обнаружена ошибка контроля данных по четности (если идут последовательно несколько фаз данных, каждая из которых имеет ошибку контроля данных по четности, то сигнал PERR# будет установлен за более, чем один такт). PERR# должен быть установлен в высокое состояние за один такт прежде, перед тем, как он перейдет в третье состояние со всеми соответствующими тристабильными сигналами. Не существует никаких специальных условий для случая, когда теряется ошибка контроля данных по четности или сообщается об отсроченной ошибке. Агент не может установить PERR#, пока он не разрешил доступ, установив DEVSEL# и завершив фазу данных.

SERR# o/d

System Error предназначен для выдачи сообщений об ошибках контроля по четности для адреса, по команде Special Cycle (специальный цикл), или любых других системных ошибках, когда результаты могут оказаться катастрофическими. Если агенту не требуется генерирование немаскируемого прерывания (NMI), то необходим механизм для сообщения о разных событиях. SERR# представляет собой открытый коллектор и управляется в течение единственного такта PCI, когда агент сообщает об ошибке. Установление SERR# синхронизировано во времени, при этом требуется время на установку и “замораживание” всех сигналов на шине. Однако установка SERR# в неактивное состояние происходит при небольшом повышении уровня напряжения (до той же величины, что и для тристабильных сигналов), и это должно обеспечиваться системным разработчиком, а не агентом или центральным ресурсом. Такое повышение напряжения может занимать от двух до трех временных интервалов до полного восстановления SERR#. Агент, который посылает операционной системе сигналы SERR#, делает это в любой момент времени, когда установлен сигнал SERR#.

Выводы прерывания (необязательно)

Прерывания на PCI произвольны и определяются как “чувствительные к уровню”, т.е. устанавливаются по низкому уровню (отрицательное “истинно”), при этом для устройств используется выход с открытым коллектором. Переход сигналов INTx# в активное состояние и обратно асинхронно по отношению к CLK. PCI предусматривает одну линию прерываний для устройства с одной функцией, и до четырех линий прерывания - для многофункциональных⁶ устройств или соединителя. Для одно-функционального устройства может использоваться только линия INTA#, в то время как три других линий прерывания не имеют никакого значения.

INTA# o/d Interrupt A - используется для запроса прерывания.

INTB# o/d Interrupt B - используется для запроса прерывания и имеет значение только для многофункционального устройства.

INTC# o/d Interrupt C - используется для запроса прерывания и имеет значение только для многофункционального устройства.

INTD# o/d Interrupt D - используется для запроса прерывания и имеет значение только для многофункционального устройства.

Любая функция на многофункциональном устройстве может быть соединена с любой линией INTx#. Регистр вывода прерывания определяет, какая из линий INTx# используется для запроса прерывания. Если устройство реализует единственную линию INTx#, то она называется INTA#; если реализуются две строки, то они называются INTA# и INTB#; и т.д. Все функции многофункционального устройства могут использовать одну и ту же линию INTx#, либо каждая функция может иметь собственную линию (по максимальному количеству функций), либо любую комбинацию такого набора. Одна и та же функция не может генерировать прерывание более, чем на одной линии INTx#.

Поставщик системы свободен в выборе способа объединения различных сигналов INTx# из разъема PCI, для их соединения с контроллером прерываний. Они могут быть объединены по “ИЛИ”, либо переключаться электроникой под управлением программы, либо как-то иначе, путем комбинации вышеперечисленных способов. Это означает, что драйвер устройства не может делать какие-то “предположения” относительно совместного использования прерываний. Все драйверы PCI - устройств должны обладать способностью к совместному использованию прерываний (цепочек прерываний) с любым другим логическим устройством, включая устройства в этом же самом многофункциональном модуле.

Выводы поддержки кэша (необязательно)

Кэшируемая память PCI должна реализовывать оба вывода поддержки кэширования в качестве входных, чтобы разрешить работу как с кэшем сквозной записи, так и с кэшем обратной записи. Если кэшируемая память размещена на PCI, то интерфейс, соединяющий кэш обратной записи и PCI, должен реализовывать оба вывода в качестве выходных; а интерфейс, соединяющий PCI и кэш сквозной записи, может реализовывать только один вывод.

SBO# вх/вых

Snoop Backoff указывает удачную попытку для изменения состояния линии. Когда сигнал SBO# неактивный, и активен SDONE, то это означает успешный результат “вмешательства”.

SDONE вх/вых

Snoop Done указывает состояние “вмешательства” для текущего доступа. Когда сигнал неактивен, то это показывает, что результат “вмешательства” все еще ожидается. Когда сигнал активен, то это показывает, что “вмешательство” завершено.

Выводы расширения шины до 64-бит (необязательно)

Выводы расширения до 64 бит в общем случае не обязательны. Это означает, что если расширение до 64 бит используется, то задействованы все выводы в этой секции.

AD[63::32] t/s

Address и Data (адрес и данные) мультиплексированы на одних и тех же выводах и обеспечивают 32 дополнительных разряда. В течение фазы адреса (когда используются команды ЦАП и когда активен REQ64#) передаются старшие 32 бита 64-разрядного адреса; в противном случае, эти биты резервные , но при этом они устойчивы и не определены. В течение фазы данных, когда активны REQ64# и ACK64#, передаются дополнительные 32 бита данных.

C/BE [7::4]# t/s

Bus Command и Byte Enables (команды шины и разрешение байта) мультиплексированы на одних и тех же выводах. В течение фазы адреса (когда используются команды ЦАП и когда активен REQ64#) передается фактическая команда шины по линиям C/BE[7::4]#; в противном случае, эти биты зарезервированы и не определены. В течение фазы данных, по линиям C/BE[7::4]# передается байт, который показывает, какой байт содержит значимые данные, при условии, что активны оба сигнала REQ64# и ACK64#. Сигнал C/BE[4]# применяется к байту 4, а C/BE[7]# применяется к байту 7.

REQ64# s/t/s

Когда Request 64-bit Transfer управляется текущим “управителем” шины, то он показывает, что тот желает передать данные, использую для пересылки 64 бита. REQ64# имеет такие же временные параметры, что и FRAME#. REQ64# получает значение в конце сброса.

ACK64# s/t/s

Когда Acknowledge 64-bit Transfer управляется устройством, которое успешно дешифрировало данный адрес в качестве агента текущего доступа, то он показывает, что агент желает передать данные, используя при этом 64 бита. ACK# имеет такие же временные параметры, как и DEVSEL#.

PAR64 t/s

Parity Upper DWORD - это бит контроля по четности, который защищает линии AD[63::32] и C/BE[7::4]. PAR64 идет в течение одного такта после фазы начального адреса, когда активен REQ64, и по линии C/BE[3::0] поступает команда ЦАП. Также PAR64 идет в течение такта после второй фазы адреса команды ЦАП.

PAR64 устойчив и корректен для тех фаз данных, когда активны REQ64# и ACK64#, в течение одного такта, когда активен IRDY# при транзакции записи, или активен TRDY# при транзакции чтения. PAR64 допустим один раз, это остается в течение такта после завершения фазы данных. (PAR64 имеет те же временные параметры, что и AD[63::32], но с задержкой на один такт). “Мастер” управляет PAR64 во время фазы адреса и фазы записи данных; агент управляет PAR64 во время фаз чтения данных.

Выводы JTAG / периферийного сканирования (необязательно)

Стандарт IEEE 1149.1, Порт для тестирования и архитектура периферийного сканирования (“Test Access Port and Boundary Scan Architecture”), включен в качестве необязательного интерфейса для PCI устройств. Стандарт IEEE 1149.1 определяет правила и ограничения для проектирования ИС (интегральных схем) в соответствии с 1149.1. Включение в состав устройства порта для тестирования (TAP - Test Access Port) позволяет использовать периферийное сканирование для проверки устройства и платы, на которой данное устройство установлено. TAP состоит из четырех выводов (в общем случае - из пяти), которые используются для организации последовательного интерфейса с контроллером TAP внутри PCI- устройства.

TCK in

Test Clock используется для синхронизации ввода собранной информации и данных в устройство и их вывода во время работы с TAP.

TDI in

Test Data Input используется для последовательного ввода в устройство тестирующих данных и команд при работе с TAP.

TDO out

Test Output используется для последовательного вывода тестирующих данных и команд из устройства при работе с TAP.

TMS out

Test Mode Select используется для управления в устройстве состоянием контроллера TAP.

TRST# in

Test Reset обеспечивает асинхронную инициализацию контроллера TAP. Этот сигнал по стандарту IEEE 1149.1 необязателен.

Данные выводы TAP должны работать при тех же электрических условиях (5В или 3.3В), что и буферы ввода-вывода PCI - интерфейса устройств. Кроме того, управление выводом TDO необязательно должно быть таким же, как это делается для стандартных выводов шины PCI. Способ управления TDO должен быть указан в техническом паспорте устройства.

Поставщик системы ответственен за проектирование и функционирование в системе последовательных цепочек стандарта 1149.1 (“кольца”). Дополнительные к шине PCI сигналы не используются в “многоточечном” режиме. Обычно “кольцо” по стандарту 1149.1 создается путем соединения вывода TDO одного устройства с выводом TDO другого, чтобы получить последовательную цепочку устройств. В этом случае микросхемы получают одни и те же сигналы TCK, TMS и необязательные сигналы TMS#. Все кольца по стандарту 1149.1 соединены либо с тестирующим разъемом материнской платы для целей тестирования, либо к ИС резидентного контроллера по стандарту 1149.1.

Спецификация PCI поддерживает платы расширения с разъемом, который предусматривает сигналы периферийного сканирования. Устройства на плате расширения можно соединять в цепочку на материнской плате.

Методы соединения и использования системы колец по стандарту 1149.1 с платами расширения включают:

Использование кольца по стандарту 1149.1 на плате расширения только во время тестирования этой платы расширения на производстве. В этом случае, кольцо по стандарту 1149.1 на материнской плате не должно контактировать с сигналами по стандарту 1149.1 для плат расширения. Материнская плата должна самотестироваться непосредственно в ходе производства.
Создание для каждой платы расширения в системе независимых колец, по стандарту 1149.1, на материнской плате. Например, если на плате есть два разъема расширения, то на материнской плате должны оставаться свободные кольца по стандарту 1149.1.
Инициализацию ИС, которая допускает иерархичную многоточечную адресацию по стандарту 1149.1. Это позволит обрабатывать множество колец по стандарту 1149.1 и разрешит многоточечную адресацию и операции.
Платы расширения, не поддерживающие стандарт интерфейса IEEE 1149.1, должны осуществлять переход от вывода TDI платы к выводу TDO.

За более подробной информацией относительно использования JTAG / Периферийного сканирования в PCI - системе обращайтесь к PCI System Design Guide (Руководству по системному проектированию PCI).

2.3. Остальные сигналы.

Обеспечиваются все основные механизмы пересылки, в основном, универсальные, а также множество мастеров. Однако это не препятствует повышению эффективности изделия за счет вспомогательных сигналов (sideband). В качестве таких сигналов могут использоваться любые сигналы, которые не входят в спецификацию PCI, но которые соединяют два или более PCI - агентов и имеют значение только для них. Данные сигналы могут использоваться для одного или большего количества устройств с целью объединения их специфичных состояний и обеспечения максимальной эффективности использования в системе шины PCI. Эти сигналы предусматриваются в разъеме PCI. Отсюда следует, что на них действуют ограничения, связанные с планарным расположением. Кроме того, данные сигналы могут нарушать специфицированный протокол для определенных сигналов PCI, либо приводить к таким нарушениям протокола.

Функции центрального ресурса

Вне этой спецификации термин центральный ресурс используется для описания опорных выводов шины, обеспечиваемых главной системой, обычно для PCI - интерфейса, либо стандартного интерфейса. Эти функции могут включать следующее (но этим не ограничиваться):

Центральный арбитраж.
Приведение требуемых сигналов в активное состояние.
Вычитающее дешифрирование. Только один агент на шине PCI может использовать вычитающее дешифрирование и, обычно, предоставлять интерфейс к стандартной шине расширения.
Генерирование индивидуальных сигналов IDSEL для каждого устройства в целях конфигурации системы.
Управление сигналом REQ64# во время инициализации.

СИСТЕМА КАМАК: Историческая справка

Система КАМАК (CAMAC - Computer Automated Measurement And Control) была разработана и предложена совместно европейским комитетом ESONE - European Standards of Nuclear Electronics и американским комитетом US NIM. Первоначально концепция системы была принята пятью лабораториями, находившимися во Франции, ФРГ, Италии, Бельгии, Нидерландах, с целью выбора общего стандарта и определения общих потребностей. В 1966 г. началась работа над системой стандартов КАМАК. К этому времени в комитет уже входило 26 лабораторий, включая лаборатории Швейцарии, Англии Австрии и Югославии. С 1974 г. членами комитета являются 29 лабораторий и организаций, среди них: ZERN, Hauell, Sakle, Grenoble, DESI, Frascati.

В течение 1967-1970 гг. рабочие группы комитета разработали подробные спецификации и выпустили основные стандарты:

Стандарт EUR 4100e (1969 г.), в котором рассматриваются конструктивы, источники питания, цифровые сигналы и магистраль крейта;
Стандарт EUR 4600e (1970 г.) - предварительный вариант; охватывает магистраль ветви и контроллер типа А;
Стандарт EUR 5100e (1970 г.) - предварительный вариант; распространяется на аналоговые сигналы.

В 1972 г. документ EUR 4100e был пересмотрен и дополнен новыми требованиями и рекомендациями, вытекающими из опыта применения системы.

В России для системы КАМАК действует Государственный стандарт Союза ССР. Единая система стандартов приборостроения. Система КАМАК. Крейт и сменные блоки. Требования к конструкции и интерфейсу. ГОСТ 26.201-80.

КАМАК представляет собой модульную систему, предназначенную для связи измерительных устройств с цифровой аппаратурой обработки данных (в большинстве случаев его роль выполняет компьютер).

14. Классификационные признаки и классификация интерфейсов СОД. Примеры интерфейсов СОД.

15. Сравнительные характеристики шинного, радиального и цепочечного интерфейсов.

16. Сравнительные характеристики последовательного и параллельного интерфейсов.

17. Сравнительные характеристики синхронного и асинхронного интерфейсов.

18. Связь типа интерфейса и надежности передачи данных.

19. Связь скорости передачи данных и расстояния передачи.

20. Различные способы соединения передатчиков и приемников информации и влияние этих способов на функциональные особенности соответствующих интерфейсов.

21. Основные функциональные характеристики системных интерфейсов IBM -совместимых персональных компьютеров.

22. Основные функциональные характеристики интерфейсов периферийных устройств СОД.

23. Сравнительные характеристики последовательных интерфейсов.

Интерфейсы RS232, RS485, I2C, IrDA ...

Последовательный интерфейс RS-232

Порядок обмена по интерфейсу RS-232C

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

Рис.1.2 Формат данных RS-232C

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

Последовательный интерфейс RS-485

Введение в LVDS

LVDS Owner's Manual - 2nd Edition

Технология беспроводной связи BLUETOOTH в фокусе решений National Semiconductor

6.3. Интерфейс системной шины

http://ruseti.ru/evm/6.3.htm

СИСТЕМА КАМАК: Историческая справка

Последовательный интерфейс
RS-232