Реферат - Сравнительная характеристика последовательных и параллельных интерфейсов

Подождите немного. Документ загружается.

Интерфейсы подключения периферийных устройств

Большинство периферийных устройств подключаются через промежуточные

периферийные интерфейсы, находящиеся на нижних уровнях иерархии

подключений (на верхнем уровне — системная шина). Периферийные

интерфейсы — самые разнообразные из всех аппаратных интерфейсов. К

периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относятся

большинство устройств хранения (дисковые, ленточные), устройств ввода-

вывода (дисплеи, клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд

коммуникационных устройств (внешние модемы). По назначению

периферийные интерфейсы можно разделить на специализированные и

универсальные, выделенные и разделяемые:

* Специализированные интерфейсы ориентированы на подключение

устройств определенного узкого класса, и в них используются сугубо

специфические протоколы передачи информации. Примеры —

популярнейший интерфейс мониторов VGA, интерфейс накопителя на

гибких дисках, традиционные интерфейсы клавиатуры и мыши, IDE/ATA и

ряд других.

* Универсальные интерфейсы имеют более широкое назначение, их

протоколы обеспечивают доставку данных, не привязываясь к специфике

передаваемой информации. Примеры — коммуникационные порты (СОМ),

интерфейс SCSI, шины USB и FireWire.

* Выделенные интерфейсы позволяют подключить к одному порту (точке

подключения) адаптера (контроллера) лишь одно устройство; число

подключаемых устройств ограничено числом портов. Примеры — СОМ-

порт, интерфейс VGA-монитора, порт AGP, интерфейс Serial SCSI.

* Разделяемые интерфейсы позволяют подключить к одному порту адаптера

множество устройств. Варианты физического подключения разнообразны:

шина (жесткая, как ISA или PCI; кабельная шина SCSI и IDE/ATA), цепочка

(daisy chain) устройств (SCSI, IEEE 1284.3), логическая шина на хабах (USB)

или встроенных повторителях (IEEE 1394 FireWire).

Виды передаваемой информации

Информация (данные), которую следует передавать по интерфейсам, может

быть разной природы:

• Аналоговая информация отображает процесс, непрерывный во времени и

произвольный по величине (может принимать любое из бесконечного числа

значений, пусть и в ограниченном интервале). Пример: звуки, которые мы

слышим (в том числе и речь), представляют собой непрерывное изменение

давления. Передача такой информации осуществляется, например, при

подключении микрофона (устройства, преобразующего изменения давления

в изменения электрического напряжения) к компьютеру.

• Дискретная информация отображает процесс конечным числом значений.

Элементарная единица дискретной информации — 1 бит, который может

принимать лишь одно из двух логических значений: 1 (истина, «да») или 0

(ложь, «нет»). Одним битом, к примеру, можно отобразить состояние кнопки

мыши — нажата или нет. Дискретная двоичная информация является

«родной» для большинства компьютеров, поскольку ее проще всего

получать, обрабатывать, хранить и передавать. Дискретная информация

может быть не только двоичной — интересны, например, и троичные

системы; состояние одного трита можно трактовать как «да», «нет», «не

знаю».

• Цифровая информация представляет собой последовательность (набор)

чисел, имеющих ограниченную разрядность (и соответственно, конечное

число возможных значений). Пример — оцифрованный звук, являющийся

последовательностью отсчетов мгновенных значений давления, взятых через

равные интервалы времени.

Дискретную и цифровую информацию не всегда корректно различают (и не

всегда это требуется), поскольку «выглядит» она похоже: в двоичной системе

та и другая представляет собой наборы ноликов и единичек. Важным

отличием цифровых данных является осмысленность сравнения значений по

условиям «больше-меньше». Цифровая информация является особым видом

дискретной. Для передачи данных по различным интерфейсам наиболее

существенно разделение на аналоговые (непрерывные) и дискретные данные.

Для того чтобы передавать данные, их нужно представить в виде сигнала

— физического процесса (электрического, оптического, электромагнитного,

хотя возможны и другие). Сигналы могут быть различных типов: аналоговые

(непрерывные), дискретные, цифровые. Заметим, что тип сигнала может и не

соответствовать типу передаваемых данных. Так, аналоговый сигнал

телефонного модема несет дискретные (цифровые) данные. Тип и природа

используемого сигнала определяются требованиями к интерфейсу:

дальностью связи, скоростью передачи данных, надежностью,

достоверностью, безопасностью, стоимостью, удобством подключения,

энергопотреблением и др.

Для преобразования информации из цифровой в аналоговую форму в виде

напряжения (иногда тока) используют цифро - аналоговые преобразователи

(ЦАП). Их используют в системах управления технологическими

процессами, в аналоговых микропроцессорах, в дисплеях, графопосторителях

и роботехнике.

Цифро-аналоговое преобразование представляет собой то , что для

входящего параллельного n - розрядного кода

где Х

– цифры 0 или 1, а - вес i- го розряда, сначала получают ток,

пропорциональный значению числа Х, а потом преобразуют его в исходящее

напряжение. Значение тока определяется суммой эталонных токов

, которые создаются для каждого розряда числа

, при чем суммируются токи только

тех розрядов, для которых =1. Значение эталонов тока пропорциональны

весу позиции двоичного числа и уменьшаются в 2 раза при переходе от

старшего i- го розряда к соседнему меньшему с номером i+1.

Естественно, что ЦАП также имеют свои интерфейсы. Рассмотрим

подробнее.

Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей

aaaaВажную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой

интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с

источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса

определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например,

микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса

непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так,

неодновременность поступления битов входного слова на управляющие

входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов,

"иголок", в выходном сигнале при смене кода.

aaaaПри управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой

управляющие входы ключей ЦАП могут быть непосредственно подключены

к выходам цифровых устройств, поэтому во многих моделях ИМС ЦАП,

особенно ранних (572ПА1, 594ПА1, 1108ПА1, AD565А и др.), сколь-нибудь

существенная цифровая часть отсутствует. Если же ЦАП входит в состав

микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он

должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное

слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи

ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом

загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие

входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного

слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и

параллельным интерфейсами входных данных.

ЦАП с последовательным интерфейсом входных данных

aaaaТакой преобразователь содержит на кристалле помимо собственно ЦАП

дополнительно также последовательный регистр загрузки, параллельный

регистр хранения и управляющую логику (рис. 13а). Чаще всего

используется трехпроводный интерфейс, который обеспечивает управление

ЦА-преобразователем от SPI, QSPI, MICROWIRE интерфейсов процессоров.

При активном уровне сигнала CS (в данном случае - нулевом) входное слово

длины N (равной разрядности ЦАП) загружается по линии DI в регистр

сдвига под управлением тактовой последовательности CLK. После

окончания загрузки, выставив активный уровень на линию LD, входное

слово записывают в регистр хранения, выходы которого непосредственно

управляют ключами ЦАП. Для того, чтобы иметь возможность передавать по

одной линии данных входные коды в несколько ЦАП, последний разряд

регистра сдвига у многих моделей ЦАП с последовательным интерфейсом

соединяется с выводом ИМС DO. Этот вывод подключается ко входу DI

следующего ЦАП и т.д. Коды входных слов передаются, начиная с кода

самого последнего преобразователя в этой цепочке.

aaaaВ качестве примера на рис. 13б представлена временнaя диаграмма,

отражающая процесс загрузки входного слова в ЦАП AD7233. Минимально

допустимые значения интервалов времени (порядка 50 нс), обозначенных на

временных диаграммах, указываются в технической документации на ИМС.

На рис. 14 приведен вариант схемы подключения преобразователя с

последовательным интерфейсом к микроконтроллеру (МК). На время

загрузки входного слова в ЦАП через последовательный порт

микроконтроллера, к которому могут быть также подключены и другие

приемники, на вход CS (выбор кристалла) подается активный уровень с

одной из линий ввода-вывода МК. После окончания загрузки МК меняет

уровень на входе CS, как это показано на рис. 8.13б, и, выставив активный

уровень на входе LD ЦАП, обеспечивает пересылку входного кода из

регистра сдвига ЦАП в регистр хранения. Время загрузки зависит от

тактовой частоты МК и обычно составляет единицы микросекунд. В случае,

если колебания выходного сигнала ЦАП во время загрузки допустимы, вход

LD можно соединить с общей точкой схемы.

aaaaМинимальное количество линий связи с ЦАП обеспечивается

двухпроводным интерфейсом I2C. Этим интерфейсом оснащаются некоторые

последние модели ЦАП, например, AD5301. Адресация конкретного

устройства осуществляется по линии данных.

ЦАП с параллельным интерфейсом входных данных

Чаще используются два варианта. В первом варианте на N входов данных N-

разрядного ЦАП подается все входное слово целиком. Интерфейс такого

ЦАП включает два регистра хранения и схему управления (рис. 15а). Два

регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и установка

выходного аналогового сигнала, соответствующего этому коду, должны быть

разделены во времени. Подача на вход асинхронного сброса CLR сигнал

низкого уровня приводит к обнулению первого регистра и, соответственно

выходного напряжения ЦАП.

aПример блок-схемы подключения 12-ти разрядного ЦАП МАХ507 к 16-ти

разрядному микропроцессору (МП) приведен на рис. 16. процессор посылает

входной код в ЦАП как в ячейку памяти данных. Вначале с шины

адрес/данные поступает адрес ЦАП, который фиксируется регистром по

команде с выхода ALE микропроцессора и, после дешифрации, активизирует

вход CS ЦАП. Вслед за этим МП подает на шину адрес/данные входной код

ЦАП и затем сигнал записи на вход WR (см. рис. 15б).

Для подключения многоразрядных ЦАП к восьмиразрядным

микропроцессорам и микроконтроллерам используется второй вариант

параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух параллельных

загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова МБ и

старшего байта - СБ (рис. 17). Пересылка байтов входного слова в

загрузочные регистры может происходить в любой последовательности.

Теперь рассмотрим более подробно, что представляют собой параллельные и

последовательные интерфейсы

Параллельные и последовательные интерфейсы

Для компьютеров и связанных с ними устройств наиболее распространенной

является задача передачи дискретных данных, и, как правило, в

значительных объемах (не один бит). Самый распространенный способ

представления данных сигналами — двоичный: например, условно высокому

(выше порога) уровню напряжения соответствует логическая единица,

низкому — логический ноль (возможно и обратное представление). Один

двоичный сигнал за один квант времени передает один бит информации. Как

говорилось ранее, процессор с периферийными устройствами обменивается

байтами (8 бит), словами (в мире х86 — 16 бит), двойными словами (32 бита)

данных. Для того чтобы передавать группу битов, существует два подхода к

организации интерфейса:

• Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы

имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все

биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть

продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры:

параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс

ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита).

• Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная

линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из

них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры:

последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные

шины USB и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

На первый взгляд, организация параллельного интерфейса проще и

нагляднее (не надо выстраивать биты в очередь на передачу и собирать

байты из принятой последовательности битов). Также, на первый взгляд,