ממשקי חומרה

ממשק (אינטראקציה) הוא החיבור בין רכיבים למשתתפים במערכת מיקרו-מעבד.

V מערכת מיקרו-מעבד כולל: חומרה, תוכנה ואנשים... לכן, ניתן להבחין בין סוגי הממשקים הבאים:

• ממשק חומרה;

• ממשק תוכנה;

• ממשק משתמש.

ממשק תכנות מסופק על ידי מערכת ההפעלה (אם קיים). ממשקי המשתמש הנפוצים ביותר הם ממשק גרפי (לדוגמה, שולחן עבודה של מחשב עם אייקונים או כפתורי פקודה בעורך Microsoft Office Word) וממשק ג'ויסטיק, שבו אנו בוחרים את הפקודה הדרושה לנו על ידי ניווט בתפריטים (לדוגמה, טלפונים ניידים , בקרים ניתנים לתכנות), שהוא גם סוג של GUI.

ממשק חומרה הוא מערכת של אוטובוסים, מחברים, התקני התאמה, אלגוריתמים ופרוטוקולים המספקים תקשורת בין כל חלקי מערכת המיקרו-מעבד. הביצועים והאמינות של המערכת תלויים במאפייני הממשק.

במערכות מיקרו-מעבד משובצות, ממשק החומרה מסופק על ידי בקרי ה-CPU.בקר זהו מעגל מיקרו מיוחד שנועד לבצע פונקציות ניטור ובקרה. הבקר מנהל את פעולת ההתקן, למשל, דיסק קשיח, זיכרון גישה אקראית, מקלדת, ומבטיח את החיבור של התקן זה עם משתתפים אחרים ב-MS.

צמיגים נשלטים על ידי גשרים... ב-MS מורכב, למשל, כמו מחשב אישי, את המקום המרכזי תופס ה-«ChipSet» (ChipSet) - סט של גשרים ובקרים. ערכת השבבים מכילה שני שבבים עיקריים, הנקראים באופן מסורתי הגשר הדרומי והגשר הצפוני (איור 1). הגשר הצפוני משרת את אפיק המערכת, אפיק הזיכרון, AGP (יציאת גרפיקה מואצת) והוא הבקר הראשי של המחשב. הגשר הדרומי מטפל בעבודה עם התקנים חיצוניים (PCI bus — I/O bus לחיבור התקנים היקפיים).

איור 1 - ארגוני חילופי נתונים במחשבים אישיים (PC)

ארגון האינטראקציה בין המעבד למכשירים חיצוניים הוא הקשה ביותר, בשל המגוון הרב שלהם.

ממשקים מקבילים מאופיינים בכך שהם משתמשים בקווי אות נפרדים להעברת ביטים והסיביות משודרות בו זמנית. הממשק המקבילי הקלאסי הוא יציאת LPT.

ממשק שידור נתונים סדרתי משתמש בקו אות בודד שמעליו משודרים סיביות מידע ברצף בזו אחר זו.

הממשק הטורי הפשוט ביותר, שהפך לנפוץ הן במחשבים והן במערכות תעשייתיות, הוא תקן RS-232, המיושם על ידי COM — יציאות... באוטומציה תעשייתית, הוא נמצא בשימוש נרחב RS-485.

אוטובוס USB (אפיק טורי אוניברסלי) מחבר מגוון רחב של התקנים היקפיים למחשב שלך, כולל טלפונים סלולריים ומוצרי אלקטרוניקה.

מפרט הממשק הראשון נקרא USB 1.0, מפרט ה-USB 2.0 משמש כיום, מכשירים מודרניים מחוברים למפרט USB 3.0.

תקן ה-USB 2.0 מכיל ארבעה קווים: קליטת נתונים ושידור, ספק כוח ומארז +5 V. בנוסף לאלה, USB 3.0 מוסיף עוד ארבעה קווי תקשורת (2 לקבלה ושניים לשידור) ומארז.

לאוטובוס ה-USB יש רוחב פס גבוה (USB 2.0 מספק קצב העברת נתונים מרבי של עד 480 Mbps, USB 3.0 - עד 5.0 Gbps) ומספק לא רק העברת נתונים, אלא גם אספקת חשמל להתקנים חיצוניים בעלי הספק נמוך (זרם מקסימלי התקן צריכה דרך קווי החשמל של אפיק ה-USB, לא יעלה על 500 mA עבור USB 2.0 ו-900 mA עבור USB 3.0), מה שמבטל את הצורך בספקי כוח חיצוניים.

ממשקים אלחוטיים (אלחוטיים) מאפשרים להתרחק מכבלי תקשורת, דבר שחשוב במיוחד עבור מכשירים בגודל קטן, בגודל ובמשקל השווים לכבלים. שימוש בממשקים אלחוטיים גלים אלקטרומגנטיים טווחי אינפרא אדום (IrDA) ותדרי רדיו (Bluetooth, USB אלחוטי).

ממשק אינפרא אדום IrDA מאפשר תקשורת אלחוטית בין שני מכשירים במרחק של עד 1 מטר. תקשורת אינפרא אדום - חיבור IR (אינפרא אדום) - בטוח לבריאות, אינו גורם להפרעות בטווח תדרי הרדיו ומבטיח את פרטיות השידור. קרני אינפרא אדום אינן עוברות דרך קירות, ולכן אזור הקבלה מוגבל לאזור קטן שניתן לשליטה בקלות.

בלוטות' (שן כחולה) הוא ממשק רדיו בעל הספק נמוך (הספק משדר כ-1 mW בלבד) לארגון רשתות אישיות המספקות העברת נתונים בזמן אמת למרחקים קצרים. לכל מכשיר בלוטות' יש משדר ומקלט רדיו 2.4 גיגה-הרץ. הטווח של ממשק הרדיו הוא כ-100 מ' - לכיסוי בית סטנדרטי.

USB אלחוטי (USB אלחוטי) — ממשק רדיו לטווח קצר עם רוחב פס גבוה: 480 Mbps במרחק של עד 3 מטרים ו-110 Mbps במרחק של עד 10 מטרים. זה עובד בטווח התדרים 3.1 - 10.6 GHz.

ממשק RS-232 (RS - תקן מומלץ) מחבר שני מכשירים - מחשב והתקן להעברת נתונים. מהירות השידור היא 115 Kbps (מקסימום), מרחק השידור הוא 15 מ' (מקסימום), ערכת החיבור היא מנקודה לנקודה.

אותות מממשק זה מועברים על ידי מפל מתח של (3 ... 15) וולט, ולכן אורך קו התקשורת RS-232 מוגבל, ככלל, למרחק של מספר מטרים עקב חסינות נמוכה לרעש. הוא משמש לרוב בציוד תעשייתי, במחשב אישי הוא משמש לחיבור מניפולטור מסוג "עכבר", מודם. ממשק RS-232 בדרך כלל אינו מאפשר חיבור לרשת מכיוון שהוא מחבר רק 2 מכשירים.

איור 2 - מחבר RS-232 מסוג DB9

ממשק RS-485 הוא ממשק טורי תעשייתי במהירות גבוהה נגד חסימות בשימוש נרחב להעברת נתונים דו-כיוונית. כמעט כל המחשבים המודרניים בעיצוב תעשייתי, רוב החיישנים והכוננים מכילים יישום כזה או אחר של ממשק RS-485.

זוג חוטים מעוות אחד (זוג מעוות) מספיק לשידור וקליטה של ​​נתונים.העברת הנתונים מתבצעת באמצעות אותות דיפרנציאליים (האות המקורי עובר על חוט אחד, והעותק ההפוך שלו נמצא על השני.). הפרש המתח של קוטביות אחת בין החוטים פירושו הפרש הגיוני, הפרש הקוטביות השני אומר אפס.

בנוכחות הפרעות חיצוניות, הברזים בחוטים סמוכים זהים, ומכיוון שהאות הוא הפרש הפוטנציאל בחוטים, רמת האות נשארת ללא שינוי. זה מספק חסינות רעש גבוהה ואורך כולל של קו התקשורת עד 1 ק"מ (ועוד עם שימוש במכשירים מיוחדים - משחזרים).

ממשק RS-485 מספק חילופי נתונים בין מספר מכשירים על קו תקשורת דו-חוטי במצב חצי דופלקס (קליטה ושידור עוברים דרך זוג אחד של חוטים מופרדים בזמן). הוא נמצא בשימוש נרחב בתעשייה ליצירת מערכות בקרת תהליכים.

Ethernet (אתר - אתר) - טכנולוגיית העברת נתונים המשמשת ברוב רשתות המחשבים המקומיות. ממשק זה מבוסס על תקן IEE 802.3. בעוד שממשק RS-485 יכול להיחשב על בסיס של אחד לרבים, אתרנט עובד על בסיס של רבים לרבים.

ישנן מספר אפשרויות בהתאם לקצב הסיביות ולאמצעי השידור:

• Ethernet - 10 Mbps

• Ethernet מהיר - 100 Mbps

• Gigabit Ethernet - 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

כבל קואקסיאלי, זוג מעוות (עלות נמוכה, חסינות גבוהה לרעש) וכבל אופטי (יצירת קווים ארוכים יותר וערוצי תקשורת מהירים) משמשים כאמצעי שידור.

זוג מעוות (זוג מעוות) - סוג של כבל תקשורת, הוא זוג אחד או יותר של חוטים מבודדים מעוותים יחד ומכוסים במעטפת פלסטיק.

לדוגמה, כבל FTP (זוג מעוות - זוג מעוות עם מגן רדיד משותף ומוליך נחושת לניקוז זרמים מושרים), 4 זוגות (מוצק), קטגוריה 5e (איור 3). הכבל מיועד להתקנה נייחת במבנים, מבנים ועבודה במערכות כבלים מובנות. מיועד ליישומים הפועלים בטווח התדרים עם גבול עליון של 100 מגה-הרץ.

איור 3 - זוג מעוות: 1 - נדן חיצוני, 2 - מגן נייר כסף, 3 - חוט ניקוז, 4 - סרט מגן, 5 - זוג מעוות

ברמה הפיזית, פרוטוקול ה-Ethernet מיושם בצורה של כרטיסי רשת המוטמעים במערכות מיקרו-מעבדים ורכזות המחברים את המערכות זו לזו.

רשתות תעשייתיות (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) בנויות על בסיס Ethernet, אשר מתחרות בהצלחה עם הרשתות שפותחו בעבר Profibus, DeviceNet, CANopen וכו'.