Hardware-Schnittstellen

Eine Schnittstelle (Interaktion) ist die Verbindung zwischen Komponenten und Teilnehmern eines Mikroprozessorsystems.

V Mikroprozessorsystem umfasst: Hardware, Software und Menschen... Daher werden folgende Arten von Schnittstellen unterschieden:

• Hardware-Schnittstelle;

• Softwareschnittstelle;

• Benutzeroberfläche.

Vom Betriebssystem bereitgestellte Programmierschnittstelle (falls vorhanden). Die gebräuchlichsten Benutzeroberflächen sind eine grafische Oberfläche (z. B. ein Computerdesktop mit Symbolen oder Befehlsschaltflächen im Microsoft Office Word-Editor) und eine Joystick-Schnittstelle, bei der wir den benötigten Befehl auswählen, indem wir durch Menüs navigieren (z. B. Mobiltelefone). , programmierbare Steuerungen), was ebenfalls eine Art GUI ist.

Eine Hardwareschnittstelle ist ein System aus Bussen, Anschlüssen, passenden Geräten, Algorithmen und Protokollen, das die Kommunikation zwischen allen Teilen eines Mikroprozessorsystems ermöglicht. Die Leistung und Zuverlässigkeit des Systems hängen von den Eigenschaften der Schnittstelle ab.

In eingebetteten Mikroprozessorsystemen wird die Hardwareschnittstelle von den CPU-Offload-Controllern bereitgestellt.Controller Es handelt sich um eine spezielle Mikroschaltung, die Überwachungs- und Steuerungsfunktionen übernimmt. Der Controller verwaltet den Betrieb des Geräts, zum Beispiel Festplatte, Arbeitsspeicher, Tastatur, und stellt die Verbindung dieses Geräts mit anderen Teilnehmern im MS sicher.

Reifen werden durch Brücken gesteuert... In komplexen MS, beispielsweise einem Personal Computer, nimmt das „ChipSet“ (ChipSet) – eine Reihe von Brücken und Controllern – den zentralen Platz ein. Der Chipsatz enthält zwei Hauptchips, die traditionell als Südbrücke und Nordbrücke bezeichnet werden (Abbildung 1). Die Northbridge bedient den Systembus, den Speicherbus, AGP (Accelerated Graphics Port) und ist der Hauptcontroller des Computers. Die Southbridge übernimmt die Arbeit mit externen Geräten (PCI-Bus – I/O-Bus zum Anschluss von Peripheriegeräten).

Abbildung 1 – Datenaustauschorganisationen in Personal Computern (PCs)

Die Organisation der Interaktion zwischen dem Prozessor und externen Geräten ist aufgrund ihrer großen Vielfalt am schwierigsten.

Parallele Schnittstellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie zur Übertragung von Bits separate Signalleitungen nutzen und die Bits gleichzeitig übertragen werden. Die klassische parallele Schnittstelle ist ein LPT-Port.

Eine serielle Datenübertragungsschnittstelle verwendet eine einzelne Signalleitung, über die Informationsbits sequentiell nacheinander übertragen werden.

Die einfachste serielle Schnittstelle, die sich sowohl in Computern als auch in industriellen Systemen durchgesetzt hat, ist der RS-232-Standard, der durch COM-Ports implementiert wird. In der industriellen Automatisierung wird häufig RS-485 verwendet.

Ein USB-Bus (Universal Serial Bus) verbindet eine Vielzahl von Peripheriegeräten mit Ihrem Computer, darunter Mobiltelefone und Unterhaltungselektronik.

Die erste Schnittstellenspezifikation heißt USB 1.0, derzeit wird die USB 2.0-Spezifikation verwendet, moderne Geräte werden nach der USB 3.0-Spezifikation angeschlossen.

Der USB 2.0-Standard enthält vier Leitungen: Datenempfang und -übertragung, +5 V-Stromversorgung und Gehäuse. Darüber hinaus fügt USB 3.0 vier weitere Kommunikationsleitungen (zwei zum Empfangen und zwei zum Senden) und ein Gehäuse hinzu.

Der USB-Bus verfügt über eine hohe Bandbreite (USB 2.0 bietet eine maximale Datenübertragungsrate von bis zu 480 Mbit/s, USB 3.0 – bis zu 5,0 Gbit/s) und ermöglicht nicht nur die Datenübertragung, sondern auch die Stromversorgung externer Geräte mit geringem Stromverbrauch (maximaler Strom). Der Stromverbrauch des Geräts über die Stromleitungen des USB-Busses sollte 500 mA für USB 2.0 und 900 mA für USB 3.0 nicht überschreiten, sodass keine externen Netzteile erforderlich sind.

Drahtlose (drahtlose) Schnittstellen ermöglichen den Verzicht auf Kommunikationskabel, was besonders wichtig für Geräte mit geringer Größe ist, deren Größe und Gewicht mit Kabeln vergleichbar sind. Verwendung drahtloser Schnittstellen Elektromagnetische Wellen Infrarot- (IrDA) und Radiofrequenzbereiche (Bluetooth, USB Wireless).

Eine Infrarot-IrDA-Schnittstelle ermöglicht die drahtlose Kommunikation zwischen zwei Geräten in einer Entfernung von bis zu 1 Meter. Infrarotkommunikation – IR (Infrarot)-Verbindung – sicher für die Gesundheit, verursacht keine Störungen im Funkfrequenzbereich und gewährleistet die Vertraulichkeit der Übertragung. Infrarotstrahlen dringen nicht durch Wände, daher ist der Empfangsbereich auf einen kleinen, leicht kontrollierbaren Bereich beschränkt.

Bluetooth (Blue Tooth) ist eine stromsparende Funkschnittstelle (Sendeleistung nur ca. 1 mW) zur Organisation persönlicher Netzwerke, die eine Echtzeit-Datenübertragung über kurze Distanzen ermöglicht. Jedes Bluetooth-Gerät verfügt über einen 2,4-GHz-Funksender und -empfänger. Die Reichweite der Funkschnittstelle beträgt etwa 100 m – um ein Standardhaus abzudecken.

Wireless USB (USB Wireless) – eine Funkschnittstelle mit kurzer Reichweite und hoher Bandbreite: 480 Mbit/s in einer Entfernung von bis zu 3 Metern und 110 Mbit/s in einer Entfernung von bis zu 10 Metern. Es arbeitet im Frequenzbereich 3,1 – 10,6 GHz.

Eine RS-232-Schnittstelle (RS – empfohlener Standard) verbindet zwei Geräte – einen Computer und ein Datenübertragungsgerät. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 115 Kbit/s (maximal), die Übertragungsentfernung beträgt 15 m (maximal), das Verbindungsschema ist Punkt-zu-Punkt.

Signale von dieser Schnittstelle werden mit einem Spannungsabfall von (3 … 15) V übertragen, daher ist die Länge der RS-232-Kommunikationsleitung aufgrund der geringen Störfestigkeit in der Regel auf eine Entfernung von mehreren Metern begrenzt. Es wird am häufigsten in Industrieanlagen verwendet, in einem Personalcomputer dient es zum Anschluss eines Manipulators vom Typ „Maus“, eines Modems. Die RS-232-Schnittstelle ermöglicht generell keine Vernetzung, da sie nur 2 Geräte verbindet.

Abbildung 2 – RS-232-Anschluss vom Typ DB9

Die RS-485-Schnittstelle ist eine weit verbreitete, störsichere industrielle serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für die bidirektionale Datenübertragung. Fast alle modernen Computer im Industriedesign, die meisten Sensoren und Antriebe enthalten die eine oder andere Implementierung der RS-485-Schnittstelle.

Für die Datenübertragung und den Datenempfang reicht ein verdrilltes Adernpaar (Twisted Pair) aus.Die Datenübertragung erfolgt über Differenzsignale (das Originalsignal geht über eine Leitung und die umgekehrte Kopie über die andere). Der Spannungsunterschied einer Polarität zwischen den Drähten bedeutet eine logische Eins, der Unterschied der anderen Polarität bedeutet Null.

Bei externen Störungen sind die Abgriffe in benachbarten Drähten gleich, und da das Signal die Potentialdifferenz in den Drähten ist, bleibt der Signalpegel unverändert. Dies gewährleistet eine hohe Störfestigkeit und eine Gesamtlänge der Kommunikationsleitung von bis zu 1 km (und mehr bei Verwendung spezieller Geräte – Repeater).

Die RS-485-Schnittstelle ermöglicht den Datenaustausch zwischen mehreren Geräten über eine Zweidraht-Kommunikationsleitung im Halbduplex-Modus (Empfang und Übertragung erfolgen über ein Paar zeitlich getrennter Leitungen). Es wird in der Industrie häufig zur Erstellung von Prozessleitsystemen eingesetzt.

Ethernet (Ether – Ether) – Datenübertragungstechnologie, die in den meisten lokalen Computernetzwerken verwendet wird. Diese Schnittstelle basiert auf dem Standard IEE 802.3. Während die RS-485-Schnittstelle auf einer Eins-zu-Viele-Basis betrachtet werden kann, funktioniert Ethernet auf einer Viele-zu-Viele-Basis.

Abhängig von der Bitrate und dem Übertragungsmedium gibt es mehrere Möglichkeiten:

• Ethernet – 10 Mbit/s

• Fast Ethernet – 100 Mbit/s

• Gigabit-Ethernet – 1 Gbit/s

• 10-Gigabit-Ethernet

Als Übertragungsmedien werden Koaxialkabel, Twisted-Pair-Kabel (kostengünstig, hohe Störfestigkeit) und optische Kabel (Erstellung längerer Leitungen und Hochgeschwindigkeits-Kommunikationskanäle) verwendet.

Twisted Pair (Twisted Pair) – eine Art Kommunikationskabel, besteht aus einem oder mehreren Paaren isolierter Drähte, die miteinander verdrillt und mit einer Kunststoffummantelung bedeckt sind.

Zum Beispiel ein FTP-Kabel (Twisted Pair – verdrilltes Paar mit einer gemeinsamen Folienabschirmung und einem Kupferleiter zur Ableitung induzierter Ströme), 4 Paare (massiv), Kategorie 5e (Abbildung 3). Das Kabel ist für die ortsfeste Verlegung in Gebäuden, Bauwerken und Arbeiten in strukturierten Kabelsystemen bestimmt. Entwickelt für Anwendungen im Frequenzbereich mit einer Obergrenze von 100 MHz.

Abbildung 3 – Twisted-Pair: 1 – Außenmantel, 2 – Folienschirm, 3 – Erdungsdraht, 4 – Schutzfolie, 5 – Twisted-Pair

Auf der physischen Ebene wird das Ethernet-Protokoll in Form von in Mikroprozessorsystemen eingebetteten Netzwerkkarten und Hubs implementiert, die die Systeme miteinander verbinden.

Auf Basis von Ethernet werden industrielle Netzwerke (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) aufgebaut, die erfolgreich mit den bisher entwickelten Netzwerken Profibus, DeviceNet, CANopen etc. konkurrieren.