Významné průmyslové komunikační systémy a sběrnice v počítačových systémech (CAN, Ethernet, Modbus, SPI, I2C, RS-232, USB, PCI-e, SATA), topologie, charakteristické vlastnosti.
Průmyslové komunikační systémy vznikly pro usnadnění řízení rozsáhlých procesů v průmyslu. Patří sem například strojní, letadlový, automobilový, potravinový průmysl atd.
Komunikační systémy pro tato odvětví by měly být:
- robustní - decentralizované řešení rozložené po celé "hale"
- oddolné - nutné rychlé a bezporuchové měření spolu s ovládáním akčních členů, to i v zarušeném prostředí
- spolehlivé - zpravidla nutnost dodržet zpracování v určitém intervalu (worst time)
- dostupné - používají se stovky metrů, cena tedy hraje významnou roli
- flexibilní - nutnost přizpůsobit systém požadavkům zákazníka
Standard nebo také norma je specifikace chování a vlastností, které zaručují kompatibilituu více systémů (různých implementací). Časté jsou různé standardizační komise, které zabraňují drahým vendor lockům.
Protokol je konvence nebo standard, podle kterého probíhá elektronická komunikace a přenos dat mezi dvěma koncovými body.
Sběrnice je skupina signálových vodičů, kterou lze rozdělit na skupiny řídicích, adresových a datových vodičů v případě paralelní sběrnice nebo sdílení dat a řízení na společném vodiči (nebo vodičích) u sériových sběrnic. Sběrnice má za účel zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními. Přenos dat na sběrnici se řídí stanoveným protokolem.
Dělení sběrnic
-
podle provozu
- synchronní
- asynchronní
-
podle uspořádání
- sériové (všechny uvedené)
- paralelní (dnes již velmi málo používané)
- serioparalelní
-
podle směru přenosu
- jednousměrné
- obousměrné
-
podle umístění
- intení
- externí
Sériové sběrnice jsou dnes používany téměř výlučně, důvody k postupnému ústupu paralelních sběrnic jsou v zásadě dva. Synchronizace přenosu jednotlivých bitů paralelně je při vyšších rychlostech a délkách vedení velmi složitá a narážíme zde na technologické limity (viz clock skew), proto může být sériová sběrnice na vyšších taktech paradoxně mnohem rychlejší. Vodiče pro sériovou komunikaci jsou podstatně tenčí a tedy praktičtější na dlouhé rozvody, to následně odráží na výsledné ceně použité kabeláže. Pro realizaci delších sběrnic se jedná o poměrně významný faktor. Pro sériové sběrnice je typická arbitrace sběrnice a paketový systém komunikace.
Uvedená směs sběrnic je hodně různoroda a můžeme jí rozdělit do několika pomyslných skupin podle specifického použití. (moje neoficiální dělení)
-
Průmyslové (CAN, RS-485, RS-422, (průmyslový) Ethernet, RS-232)
- pracují na vzdálenost desítek metrů
- nejsou potřeba velké přenosové rychlosti
- odolné proti rušení (kompromis na úkor přenosové rychlosti)
- hardware je obvykle odolný na vysoké teploty, prach a elektromagnetické záření
- povětšinou sériové (dlouhé paralelní sběrnice jsou drahé)
-
Mikrokontrolerové (SPI, I2C)
- komunikují na krátkou vzdálenost (mezi komponenty na desce nebo mezi systémy)
- nenáročná implementace a integrace
- realizováno na jednoduchém hardware
- obvykle také sériové
- nejsou potřeba velké přenosové rychlosti
- obvykle spojené na pevno (nemá konektor)
-
Počítačové (USB, PCI-e, SATA)
- krátká až střední komunikační vzdálenost
- obvykle velké nároky na přenosovou rychlost
UART/USART
Univerzální synchronní / asynchronní sériové rozhraní USART (Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter). Jde o zařízení pro sériovou komunikaci, které lze nastavit buď pro asynchronní režim (SCI – např. pro linky RS-232 resp. RS-485), anebo pro synchronní režim (běžně označovaný jako SPI). USART se od UARTu liší možností synchroní komunikace.
CAN (Controller Area Network) je sběrnice typu multimaster, která je určena k propojování mikropočítačů, různých inteligentních čidel a akčních členů nejen v průmyslu, ale i v automobilech. Její základní koncepce je následující: Jednotlivé stanice připojené na sběrnici vysílají svá data bez ohledu na to, je-li v sytému nějaký „zájemce" nebo nikoliv. Datové rámce proto neobsahují adresu příjemce, nýbrž jen identifikaci která určuje, jaká data rámec obsahuje. Rámec je přijat všemi přijímači na sběrnici. Každý z přijímačů nezávisle použije identifikaci rámce k rozhodnutí, má-li být právě přijatý rámec akceptován, tj. předán k dalšímu zpracování nebo má-li být vymazán.
- http://home.zcu.cz/~dudacek/NMS/Seriova_rozhrani.pdf
- http://vyvoj.hw.cz/navrh-obvodu/rozhrani/aplikovani-sbernice-can.html
- https://cs.wikipedia.org/wiki/CAN_bus
Vrstvy
- Fyzická a Linková vrstva (CAN Bosch)
- Aplikační vrstva (CANopen, DeviceNet)
Linková vrstva:
-
CAN nepoužívá adresu ale identifikátor
-
Každý uzel pomocí masky a filtru rozhodne, zda zprávu přijme či nikoli
-
Tento způsob umožňuje zasílání zpráv pouze určitým skupinám uzlů
-
Různé rámce mají různou prioritu, rámce s větší prioritou se dostanou na sběrnici rychleji a častěji
-
LLC – Logica Link Control
- Filtrování zpráv
- Signalizace přetížení
- Správa zotavování
-
MAC – Medium Access Control
- Zabalení dat do rámce / rozbalení dat z rámce
- Kódování rámce (vkládání, vyhazování bitu)
- Řízení přístupu k médiu
- Detekce a signalizace chyb
- Správa potvrzování příjmu
- Serializace / deserializac
Fyzická vrstva:
-
PLS – Physical Signaling
- Kódování / vzorkování bitu
- Časování bitu
- Synchronizace
-
PMA – Physical Medium Attachment (Charakteristiky budičů)
-
MDI – Medium Dependent Interface (Konektory, kabely)
Norma pro protokol CAN uvádí dvě specifikace rámců: CAN 2.0A a CAN 2.0B, které se liší v délce identifikátoru. Identifikátor základního formátu CAN 2.0A má délku 11bitů, identifikátor rozšířeného formátu CAN 2.0B má délku 29bitů.
Pracuje nad sběrnicí, k níž přistupuje metodou CSMA/CD+AMP
- CSMA - náhodný přístup k médiu
- CD - detekce kolizí
- AMP - Arbitration on Message Priority (řidí se prioritami zpráv)
Komunikace na sběrnici CAN probíhá tak, že každý uzel může za určitých okolností využívat sběrnici pro vysílání svých zpráv. Zpráva vysílaná po sběrnici obsahuje identifikační číslo vysílajícího uzlu. Identifikátor definuje nejen obsah zprávy, ale i prioritu přístupu na sběrnici. Tímto způsobem je možno zaslat zprávu z jednoho uzlu do jiného uzlu nebo několik jiných uzlů současně. Komunikační síť CAN může pracovat jak v režimu multi-master (více nadřízených uzlů), nebo v režimu master-slave (jeden uzel nadřízený a více podřízených uzlů).
Synchronizace se provádí pomocí vkládání bitu:
- po 5. bitu jedné úrovně je vložen(navíc) bit opačné úrovně
- po přijetí 5 bitů stejné úrovně musí být přijat bit opačné úrovně a je vyjmut (odstraněn)
- je-li přijat 6. bit stejné úrovně, je indikována chyba
Typy CAN
Komunikační protokol CAN definuje formát přenášených zpráv na aplikační úrovni. Zprávy jsou přenášené v tzv. rámcích. V definici CAN jsou určeny čtyři typy rámců:
- datový rámec (DATA FRAME)
- žádost o data (REMOTE FRAME)
- chybový rámec (ERROR FRAME)
- rámec přeplnění (OVERLOAD FRAME)
Datový rámec (DATA FRAME) Datový rámec zabezpečuje přenos informací z vysílajícího uzlu všem ostatním uzlům na sběrnici. Tento rámec se skládá z následujících částí:
- START OF FRAME – úvodní jednobitové pole s dominantní hodnotou
- ARBITRATION FIELD – arbitrážní pole sestávající se z identifikátoru a bitu RTR (Remote Transmission Request), který identifikuje, zda-li se jedná o datový rámec (DATA FRAME) nebo žádost o vysílání (REMOTE FRAME). Toto pole určuje prioritu vysílané zprávy. Uzel při vysílání neustále monitoruje stav na sběrnici. Zjistí-li uzel, že vyslal recesní bit a na sběrnici je bit dominantní, okamžitě přestává vysílat. Tímto způsobem je zabezpečeno, aby přistup ke sběrnici dostal ten, jehož zpráva má nejvyšší prioritu. Současně je zabezpečeno, aby při nárůstu zatížení sběrnice nedošlo ke snížení přenosového výkonu sítě.
- CONTROL FIELD – řídící pole, které obsahuje bit IDE (Identifikátor Expresion) pro rozlišení základního a rozšířeného formátu, rezervní bit a 4 bity DLC (Data Length) určující počet byte datového pole (0 až 20 byte). Poměrně malá délka tohoto pole vychází z původního záměru CAN, tj. především zabezpečení rychlého přenosu zpráv s vysokou prioritou. Delší bloky dat je nutno segmentovat v aplikační úrovni. Všechna data na sběrnici jsou dostupná všem uzlům současně.
- DATA FIELD – datové pole o velikosti 0 až 8 bajtů
- CRC FIELD (Cyclic Redundancy Code) – nese 15 kontrolních bitů cyklického redundantního kódu při zahrnutí všech předcházejících polí. Pole je ohraničeno recesivním bitem ERC (END OF CRC)
- ACKNOWLEDGE FIELD – potvrzující pole, které sestává z bitů ACK SLOT a ACK DELIMITER. Vysílač vysílá bit ACK SLOT jako recesivní. Pokud alespoň jeden uzel přijal zprávu bez chyby, přepíše tento bit na dominantní, čímž oznámí vysílači potvrzení příjmu. ACK DELIMITER je recesivní bit, takže ACK SLOT je ohraničen dvěma recesivními bity
- END OF FRAME – konec rámce se skládá z nejméně sedmi recesivních bitů, za nimiž následují nejméně 3 bity pro uklidnění všech vysílačů. V této době mohou přijímací uzly informovat vysílací uzel o chybách přenosu.
- INTERMISSION FIELD + BUS IDLE – mezilehlé pole + uklidnění sběrnice – 3 bity oddělující jednotlivé zprávy
Žádost o rámec (REMOTE FRAME) Žádost o rámec má obdobný formát jako datový rámec. Neobsahuje však datové pole a bit RTR je recesivní (v datovém rámci je dominantní). Uzel takto žádá některý jiný uzel na síti o vysílání datového rámce se shodným identifikátorem, jaký je v žádosti.
Chybový rámec (ERROR FRAME) Chybový rámec sestává z polí ERROR FLAG a ERROR DELIMITER. Uzel, který zjistí chybu v řetězci přijímaných bitů, začne vysílat 6 dominantních bitů, čímž poruší strukturu rámce. Ostatní uzly začnou též vysílat 6 dominantních bitů. Celková délka ERROR FLAG tak může být 6 až 12 bitů. Za nimi následuje pole ERROR DELIMITER s 8 recesivními bity.
Rámec přeplnění (OVERLOAD FRAME) Rámec přeplnění má obdobnou strukturu, jako chybový rámec. Uzel vyšle tento rámec především tehdy, když potřebuje určitý čas na zpracování předchozí zprávy.
Výhody
- Vysoká rychlost přenosu dat 1Mbit/s při délce sběrnice do 40m
- Rozlišení zpráv identifikátorem CAN 2.0A 11bitů a CAN 2.0B 29bitů
- Selekce přijímaných identifikátorů zpráv
- Prioritní přístup zabezpečující urychlené doručení významných zpráv
- Diagnostika sběrnice např.: chyba doručení zprávy, chyba CRC, přetečení bufferu
- Značná úroveň zabezpečení přenosu
- Vysoká provozní spolehlivost
- Stále se rozšiřující součástková základna
- Nízká cena
Nevýhody
- Omezený počet dat přenášených v rámci jedné zprávy (0 až 8 Byte)
- Prvotní náročnost nastavení registrů CAN sběrnice
Ethernet je název souhrnu technologií pro počítačové sítě (LAN, MAN) z větší části standardizovaných jako IEEE 802.3, které používají kabely s kroucenou dvoulinkou, optické kabely (ve starší verzích i koaxiální kabely) pro komunikaci přenosovými rychlostmi od 10 Mbit/s po 100 Gbit/s. Sítě Ethernet realizují fyzickou a linkovou vrstvu referenčního modelu OSI.
- https://cs.wikipedia.org/wiki/Ethernet
- http://www.svetsiti.cz/clanek.asp?cid=Ethernet-1992000&s=CFE74B0513B385BE1F8FE7EC8CC13A105D7E1A86
V jednoduché sítí komunikují všichni na stejné sběrnici (fyzická topologie bus) a řeší se kolize při vysílaní paketů. Situaci zlepšují switche, které pakety filtrují do různých segmentů, aby nedocházelo neustále k blokování.
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) - stanice připravená vysílat data si "poslechne" zda přenosové médium (kabel) nepoužívá jiná stanice. V případě, že ano, stanice zkouší přístup později až do té doby dokud není médium volné. V okamžiku kdy se médium uvolní začne stanice vysílat svá data.
CD (Collision Detection) - stanice během vysílání sleduje zda je na médiu signál odpovídající vysílaným úrovním (tedy aby se např. v okamžiku kdy vysílá signál 0 nevyskytl signál 1). Případ kdy dojde k interakci signálů více stanic se nazývá kolize. V případě detekce kolize stanice generuje signál JAM a obě (všechny) stanice které v daném okamžiku vysílaly generují náhodnou hodnotu času po níž se pokusí vysílání zopakovat.
Podvrsty
- Logical Link Control (LLC) – sjednocuje, IEEE 802.2
- Medium Access Control (MAC) – konkrétní technologie
Standardy
- 10BASE5 Původní Ethernet na koaxiálním kabelu o rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel o impedanci 50 Ω tvoří sběrnici, ke které se připojují pomocí speciálních transceiverů a AUI kabelů jednotlivé stanice.
- 10BASE2 Ethernet na tenkém koaxiálním kabelu o rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel tvoří sběrnici, ke které se připojují jednotlivé stanice přímo. Kabel je impedance 50 Ω (RG-58) nesmí mít žádné odbočky a je na koncích zakončen odpory 50 Ω (tzv. terminátory).
- 10BASE-T Jako přenosové médium používá kroucenou dvojlinku s rychlostí 10 Mbit/s. Využívá dva páry strukturované kabeláže ze čtyř. Dnes již překonaná síť, která byla ve většině případů nahrazena rychlejší 100 Mbit/s variantou.
- 10BASE-F Varianta s optickými vlákny o rychlosti 10 Mbit/s. Používá se pro spojení na větší vzdálenost, nebo spojení mezi objekty, kde nelze použít kroucenou dvojlinku. Tvořila obvykle tzv. páteřní síť, která propojuje jednotlivé menší celky sítě. Dnes je již nahrazována vyššími rychlostmi (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet).
- 100BASE-TX Varianta s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s, které se říká Fast Ethernet, používá dva páry UTP nebo STP kabelu kategorie 5.
- 100BASE-T2 Používá dva páry UTP kategorie 3, 4, 5. Je to varianta vhodná pro starší rozvody strukturované kabeláže.
- 100BASE-T4 Používá čtyři páry UTP kategorie 3, 4, 5. Také vhodná pro starší rozvody strukturované kabeláže.
- 100BASE-FX Fast Ethernet používající dvě optická vlákna.
- 1000BASE-T Ethernet s rychlostí 1000 Mbit/s, nazývaný Gigabit Ethernet. Využívá 4 páry UTP kabeláže kategorie 5e, je definován do vzdálenosti 100 metrů.
- 1000BASE-CX Gigabit Ethernet na bázi měděného vodiče pro krátké vzdálenosti, učený pro propojování skupin zařízení.
- 1000BASE-SX Gigabit Ethernet používající mnohavidové optické vlákno. Je určen pro páteřní sítě do vzdáleností několik set metrů.
- 1000BASE-LX Gigabit Ethernet používající jednovidové optické vlákno. Je určen pro větší vzdáleností až několika desítek kilometrů.
- 10GBASE-T Ethernet s rychlostí 10 Gbit/s, nazývaný Ten Gigabit Ethernet (nebo také EFM – Ethernet on the first mile). Do vzdálenosti 55 metrů lze využít kabeláž kategorie 6. Pro využití plné délky 100 je nutné použít kategorii 6a (augmented Category 6 – šířka pásma 500 MHz). Někteří výrobci prodávají kabely kategorie 7, které jsou označeny jako kompatibilní s 10GBASE-T. V současné době (rok 2007) je ve vývoji nestíněná varianta UTP kabeláže kategorie 6a.
- 40GBASE a 100GBASE s rychlostí 40 a 100 Gbps by měl používat optická vlákna; měděné kabely do délky alespoň 10 metrů
Ethernetový rámec
MODBUS je otevřený protokol pro vzájemnou komunikaci různých zařízení (PLC, dotykové displeje, I/O rozhranní apod), který umožňuje přenášet data po různých sítích a sběrnicích (RS-232, RS-485, Ethernet TCP/IP, MODBUS+ atd.). Komunikace funguje na principu předávání datových zpráv mezi klientem a serverem resp. masterem a slavem. Na sběrnici je jedno „master" zařízení (v případě verze Modbus TCP jich může být více) posílající dotazy, ostatní zařízení jsou „slave". „Slave" zařízení odpovídá na dotazy, které jsou mu adresovány. V pozici mastera je tedy řídící prvek (např. PLC nebo průmyslové PC), v roli slave zařízení jsou ovládané nebo sledované prvky (např. čidla, měřící přístroje, PLC, prvky výrobních linek atp.). Komunikace probíhá metodou požadavek-odpověď a požadovaná funkce je specifikována pomocí kódu funkce jež je součástí požadavku.
- http://automatizace.hw.cz/clanek/2004082301
- http://home.zcu.cz/~ronesova/bastl/files/modbus.pdf
- https://cs.wikipedia.org/wiki/Modbus
Uzly
-
Master – jediný uzel na sběrnici, nemá přiřazenou adresu, inicializuje přenos
-
Slave – 1 až 247 uzlů, každý slave musí mít jedinečnou adresu v rozmezí 1 až 247
- nemůže vysílat data bez přijetí požadavku od Master uzlu
- nemůže komunikovat s jiným slave uzlem
Protokol Modbus definuje dva sériové vysílací režimy, Modbus RTU a Modbus ASCII. Režim určuje, v jakém formátu jsou data vysílána. Každá jednotka musí podporovat režim RTU, režim ASCII je nepovinný. Všechny jednotky na jedné sběrnici musejí pracovat ve stejném vysílacím režimu.
- MODBUS RTU – V režimu RTU se 8bitový byte vysílá jako jeden znak, integrita zpráv je zajištěna pomocí kontrolního součtu typu CRC a pomocí paritního bitu. Vysílání zprávy musí být souvislé, mezery mezi znaky nesmějí být delší než 1,5 znaku. Začátek a konec zprávy je identifikován podle pomlky na sběrnici delší než 3,5 znaku. Časování a definice protokolu zajišťuje rychlou komunikaci a spolehlivou komunikaci po sběrnici RS485, aniž by byly kladeny přehnané nároky na připojená zařízení. Díky svým dobrým vlastnostem a otevřenosti patří MODBUS RTU k nejrozšířenějším komunikačním standardům pro průmyslovou automatizaci.
- MODBUS ASCII – V režimu ASCII je každý 8bitový byte posílán jako dvojice ASCII znaků. Oproti režimu RTU je tedy pomalejší, ale umožňuje vysílat znaky s mezerami až 1 s. Začátek a konec zprávy je totiž určen odlišně od RTU módu. Začátek zprávy je indikován znakem „:" a konec zprávy dvojicí řídicích znaků CR, LF. Tato verze protokolu je tak „lidsky čitelnější", ale proti RTU verzi je málo využívaná.
Datagram
MODBUS datagram
V soušasné době jsou implementována MODBUS komunikace po sítích:
- TCP/IP Ethernet
- Asynchronní sériový přenos ( RS - 232C, RS - 422, RS - 485, vlákno, radiový přenos )
- MODBUS PLUS vysokorychlostní síť
Sběrnice SPI (Serial Peripheral Interface) představuje jednu z forem sériových externích sběrnic sloužících pro vzájemné propojení dvou či více komunikujících uzlů, přičemž jeden uzel obvykle vystupuje v roli takzvaného řadiče sběrnice (master), ostatní uzly pracují v režimu slave. Uzel, který pracuje jako master, obsahuje generátor hodinového signálu, který je rozveden do všech ostatních uzlů, čímž je umožněn zcela synchronní (navíc ještě obousměrný) přenos dat. Hodinový signál je rozváděn vodičem označovaným symbolem SCK. Kromě vodiče s hodinovým signálem jsou uzly propojeny dvojicí vodičů označovaných většinou symboly MISO (Master In, Slave Out) a MOSI(Master Out, Slave In), pomocí nichž se obousměrně (full duplex) přenáší data. Posledním signálem, který se u této sběrnice používá, je signál SSEL (Slave Select), jenž slouží – jak již jeho název napovídá – k výběru některého uzlu pracujícího v režimu slave. V následujících kapitolách si ukážeme, jak a kdy se tento signál používá. Všechny čtyři signály – SCK, MISO, MOSI i SSEL, pro svoji funkci vyžadují pouze jednosměrné porty, což přispívá k jednoduché a především levné implementaci této sběrnice.
-
oddělený datový signál mastera od datového signálu slave (MOSI, MISO) (full-duplex)
-
sériové, synchronní
-
mono-master(jeden master, více slavů)
-
2 konfigurace(nezávislá, kaskádová)
-
http://www.root.cz/clanky/externi-seriove-sbernice-spi-a-i2c/
Obvody:
- Analogové ADC, DAC
- Paměti EEPROM, FLASH
- Řadiče CAN, USB, UART
- Budiče LED, LCD
- CPU supervizory
- RTC obvody
Způsob komunikace s více zařízeními pomocí výběru uzlu signálem SSEL. Čím více existuje uzlů typu slave, tím větší množství pinů CSx je nutné použít. Vzhledem k tomu, že v danou chvíli může být vybrána jen jedna komunikující dvojice uzlů, lze mezi uzel typu master a ostatní uzly vložit demultiplexor pracující v režimu výběru „jedna z n".
Propojení zařízení do řetězu (daisy chain) vede ke snížení požadovaného počtu vodičů, ale také k prodloužení cesty (a tím i času) dat při jejich vysílání a příjmu. V případě, že jedno z připojených zařízení nebude funkční, celý řetězec se rozpadne.
I2C je zkratka z celého názvu Inter-Integrated Circuit. Jedná se o sběrnici typu multimaster, v důsledku čehož se musí řešit arbitrace přístupu na sběrnici. Sběrnice má též zabudovaný mechanismus pro adresování připojených stanic (resp. připojených uzlů). Každá stanice připojená na sběrnici má přidělenu adresu o délce 7 či 10 bitů (slouží k jejímu výběru při komunikaci a při arbitraci). Sběrnice slouží primárně k připojování obvodů k mikrokontrolérům.
Fyzická vrstva: Jednotlivé uzly na sběrnici jsou propojeny právě jedním datovým vodičem značeným SDA. I2C má v celku právě dva vodiče: datový vodič (značen SDA) a vodič s hodinovým signálem (značen SCL). Maximální přípustná frekvence hodinového signálu (SCL vodiče) je 100kHz nebo 400kHz (dle implementace).
Linková (spojová) vrstva: V rámci je obsažena 7 bitová adresa příjemce (adresu má přiřazenu každý uzel na sběrnici) a jeden bit určující typ požadované operace (R/W - read/write). V rámci přenosu dochází k potvrzování přijetí dat (ACK), což se děje paralelně s jejich příjmem. Pokud není přijat ACK, spojení se přerušuje vysláním STOP.
K arbitraci přístupu na sběrnici je využita standardní metoda detekce kolize. Každá stanice může zahájit vysílání, pokud je sběrnice v klidovém stavu. Při vysílání musí docházet ke kontrole, zdali nedochází ke kolizi (jinými slovy, zdali nevysílá více stanic najednou). V případě kolize musí stanice okamžitě ukončit přenos.
Více na:
-
http://www.root.cz/clanky/externi-seriove-sbernice-spi-a-i2c/
-
http://www.root.cz/clanky/komunikace-po-seriove-sbernici-isup2supc/
Nejčastěji připojované obvody:
- Analogové ADC, DAC
- Paměti EEPROM, FLASH
- Řadiče CAN, USB, UART
- Budiče LED, LCD
- CPU supervizory
- RTC obvody
- I/O expandery
Řízení komunikace
Pro řízení komunikace se na I2C používá metoda s detekcí kolize. Každá ze stanic může zahájit vysílání, je-li předtím sběrnice v klidovém stavu. Během vysílání musí neustále porovnávat vysílané bity se skutečným stavem SDA. Je-li zjištěn rozdíl mezi očekávaným a skutečným stavem linky SDA, je to indikace kolize mezi několika stanicemi.
Adresace
Každá stanice připojená na I2C má přidělenou 7 resp. 10 bitovou adresu. Po zachycení podmínky START porovnávají všechny obvody svou adresu s adresou, která je vysílána na sběrnici. Zjistí-li některý z obvodů shodu, je vysílání určeno právě jemu a musí přijetí adresy potvrdit bitem ACK. Potom přijímá nebo vysílá další data.
Potvrzování
Každý vysílaný byte a vyslaná adresa je následována vysláním jednoho bitu ACK. Vysílající stanice jej vysílá v úrovni H. Přijímající stanice potvrzuje přijetí tím, že v době vysílání ACK připojí SDA na úroveň L. Pokud vysílající stanice nedostane potvrzení příjmu, ukončí vysílání podmínkou STOP.
Zapojení uzlů na sběrnici I2C
Standard RS-232, resp. jeho poslední varianta RS-232C z roku 1969, je postupně vytlačován výkonnějším USB. Nicméně v průmyslu je tento standard, především jeho modifikace - standardy RS-422 a RS-485, velice rozšířen a pro své specifické rysy tomu tak bude i nadále. Na rozdíl od komplexnějšího USB, standard RS-232 pouze definuje, jak přenést určitou sekvenci bitů a nezabývá se už vyššími vrstvami komunikace. V referenčním modelu ISO/OSI tak představuje pouze fyzickou vrstvu.
RS232 je point to point, jeden drát pro příjem druhý pro vysílaní, zařízení si navzájem plní vstupně/výystupní buffery. Neřeší se tedy adresy a kolize.
- http://vyvoj.hw.cz/rozhrani/hw-server-predstavuje-seriova-linka-rs-232.html
- http://www.root.cz/clanky/seriovy-port-rs-232c/
- https://cs.wikipedia.org/wiki/RS-232
RS232
| Zkratka | Jméno | Popis | PinD-Sub DB25 | PinD-Sub DE9 | Směr u DTE (např. PC, samčí konektor) | Směr u DCE (např. modem, samičí konektor) |
|---|
| Common Ground | Stínění | 1 | -- | -- | --
TxD, TX, TD | Transmit Data | Data posílaná z DTE do DCE | 2 | 3 | Výstup | Vstup RxD, RX, RD | Receive Data | Data přijímaná v DTE z DCE | 3 | 2 | Vstup | Výstup RTS | Request to Send | „Požadavek na vysílání"; Logická jednička na tomto výstupu signalizuje, že DTE chce vysílat data. Některé převodníky RS232/RS485 tento signál používají pro přepínání směru linky, což však vyžaduje aby software tento signál správně obsluhoval. | 4 | 7 | Výstup | Vstup CTS | Clear to Send | „Povolení k vysílání"; Logickou jedničkou na tomto vstupu protistrana signalizuje, že DTE může vysílat data | 5 | 8 | Vstup | Výstup DSR | Data Set Ready | Logickou jedničkou na tomto vstupu protistrana signalizuje, že je připravena (což neznamená že DTE může okamžitě zaslat data, viz CTS) | 6 | 6 | Vstup | Výstup GND | Ground | Signálová zem. Hodnoty napětí na pinech jsou určeny proti této zemi. | 7 | 5 | -- | -- DCD, CD, RLSD | (Data) Carrier Detect | Logickou jedničkou na tomto vstupu protistrana signalizuje, že detekovala na vedení nosný signál a může komunikovat (DCE je např. modem na telefonní lince) | 8 | 1 | Vstup | Výstup DTR | Data Terminal Ready | Logickou jedničkou na tomto výstupu DTE signalizuje protistraně svoji připravenost. Protistrana (např. modem) se tím aktivuje nebo zase deaktivuje. Modem obvykle odpovídá nastavením DSR na logickou jedničku. | 20 | 4 | Výstup | Vstup RI | Ring Indicator | Logická jednička signalizuje do DTE příchozí hovor, tedy že někdo požaduje datové spojení („ring" je anglicky „zvonit"; zvl. u telefonního modemu). | 22 | 9 | Vstup | Výstup
Průběh signálu při přenosu znaku „K" (ASCII kód 75, binárně 01001011) bez parity a s jedním stopbitem.
USB (Universal Serial Bus) je univerzální sériová sběrnice, moderní způsob připojení periferií k počítači. Nahrazuje dříve používané způsoby připojení (sériový a paralelní port, PS/2, Gameport apod.) pro běžné druhy periférií. USB je sběrnice jen s jedním zařízením typu Master, všechny aktivity vycházejí z PC a je možné připojit až 127 různých zařízení. PC může požadovat data od libovolného zařízení, naopak žádné zařízení nemůže vysílat data samo od sebe. Veškerý přenos dat se uskutečňuje v tzv. rámcích, které trvají přesně 1 milisekundu. Uvnitř jednoho rámce mohou být postupně zpracovávány pakety pro několik zařízení. Přitom se mohou spolu vyskytovat pomalé (low-speed) i rychlé (full-speed) pakety. Rozhraní obsahuje 5V napájení a maximální proud 100mA, na požádání 500mA: Některé desky mají napájení přímo ze zdroje a není limitováno specifikací. Maximální délka kabelu je 5m.
- http://vyvoj.hw.cz/navrh-obvodu/rozhrani/rs-485-rs-422/usb-20-dil-1.html
- http://vyvoj.hw.cz/navrh-obvodu/rozhrani/rs-485-rs-422/usb-20-dil-2.html
- http://www.root.cz/clanky/universalni-seriova-sbernice-usb/
- https://cs.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus
Specifikace USB obsahuje čtyři základní typy datových přenosů:
- Řídící (control) přenosy jsou používány ke konfiguraci zařízení při jeho připojení a mohou být použity k dalším účelům, jako např. k řízení dalších komunikačních rour.
- Hromadné (bulk) přenosy slouží k přenosům velkého množství dat a jsou na ně kladena nejmenší omezení.
- Přerušovací (interrupt) přenosy slouží k včasnému a spolehlivému doručení dat, nejčastěji pro asynchronní události.
- Izochronní (isochronous) přenosy zabírají předem smluvené množství přenosového pásma a mají předem dohodnuté zpoždění. Tento druh přenosů je také nazýván proudový přenos v reálném čase (streaming real-time transfer).
USB topologie
Plug and Play
Výhodou je možnost připojování Plug and Play bez nutnosti restartování počítače nebo ručního instalování ovladačů. Zařízení lze připojit za chodu k počítači a během několika sekund je přístupné. Při připojení nového zařízeni nejprve hub podle zdvižené datové linky pozná, že se objevilo nové zařízení. Pak proběhnou následující kroky:
- Hub informuje hostitelský počítač o tom, že bylo připojeno nové zařízení.
- Hostitelský počítač se dotáže hubu, na který port bylo zařízení připojeno.
- Po doručení odpovědi vydá počítač příkaz tento port zapnout a provést vynulování (reset) sběrnice.
- Hub vyrobí nulovací signál (reset) o délce 10 ms. Uvolní pro zařízení napájecí proud 100 mA. Zařízení je nyní připraveno a odpovídá na implicitní (default) adrese.
- Než zařízení USB obdrží svou vlastní adresu sběrnice, je možno se na ně obracet přes implicitní adresu 0. Hostitel si přečte první bajty popisovači zařízení, aby stanovil, jakou délku mohou mít datové pakety.
- Hostitel přiřadí zařízení jeho adresu na sběrnici.
- Hostitel si ze zařízení pod novou sběrnicovou adresou načte všechny konfigurační informace.
- Hostitel přiřadí zařízení jednu z možných konfigurací. Zařízení nyní může odebírat tolik proudu, kolik je uvedeno v jeho popisovači. Tím je připraveno k použití. Hostitel přiřadí zařízení jeho adresu na sběrnici.
Vodič
| 1 | Vcc | napájení |
|---|---|---|
| 2 | D- | rozdílový pár USB 2.0 |
| 3 | D+ | rozdílový pár USB 2.0 |
| 4 | GND | zem napájení |
| 5 | StdB_SSTX- | superrychlostní vysílač diferenciálního páru |
| 6 | StdB_SSTX+ | |
| 7 | GND_DRAIN | zem signálu |
| 8 | StdB_SSRX- | superrychlostní přijímač diferenciálního páru |
| 9 | StdB_SSRX+ | |
| kryt | stínění | kryt |
Rychlosti
| Standart | Rychlost |
|---|---|
| USB 1.1 | 12 Mbit/s |
| Firefire 400 | 400 Mbit/s |
| USB 2.0 | 480 Mbit/s |
| FireWire 800 | 800 Mbit/s |
| USB 3.0 | 5 Gbit/s |
| USB 3.1 | 10 Gbit/s |
| eSATA | Up to 6 Gbit/s (750 MB/s) |
| Thunderbolt | 10 Gbit/s × 2 (2 channels) |
| Thunderbolt 2 | 20 Gbit/s |
| Thunderbolt 3 | 40 Gbit/s |
Přichácí USB-C, v podstatě USB 3.1 s jinným konektorem a podporou pro velké proudy (3A), vhodné třeba pro napájení notebooku.
Serial ATA (SATA) označuje v informatice počítačovou sběrnici, která využívá datové rozhraní pro připojení velkokapacitních paměťových zařízení, jako jsou pevné a optické disky. Délká kabelu je maximálně 1 metr.Topologie je point to point a každé zařízení je připojeno přímo do řadiče. SATA je fullduplexní a poskytuje vyšší výkon díky vestavěnému řadiči DMA.
| Generace SATA | Standard | Datovápropustnost | Frekvence |
|---|
-
| SATA 1,5 Gb/s | 150 MB/s | 1,5 GHz -
| SATA 3 Gb/s | 300 MB/s | 3 GHz -
| SATA 6 Gb/s | 600 MB/s | 6 GHz
Na dohled jsou další revize zohledňující nástup SSD a různých SSDlike mini uložišť, ktera dále navyšuje podporu a komunikační rychlosti.
Již v PATA (tlustá 40 žil kšanda)
PIO (legacy podpora, nahrazeno DMA)
PIO (Programmed Input Output) je režim přenosů dat po sběrnici v počítači mezi periferiemi (CD-ROM, pevný disk, síťová karta apod.) a operační pamětí. Data jsou přenášena za účasti procesoru. Procesor je tedy plně zaměstnán přenosem a nemůže vykonávat jinou práci.
DMA
DMA (Direct Memory Access) je způsob přímého přenosu dat mezi operační pamětí a vstupně/výstupními zařízeními. Data neprocházejí skrze procesor a lze tak dosáhnout vyššího výkonu (během přenosu dat může procesor zpracovávat jiné strojové instrukce). DMA se používá pro přenos větších objemů dat například řadič pevných disků, grafická karta, síťová karta, zvuková karta a podobně. DMA je odchylkou od Von Neumannovy architektury počítače. DMA je řízené speciálním řadičem, který je součástí základní desky počítače.
Ve standartu SATA
Advanced Host Controler
SATA řadič využívá jako standardní rozhraní AHCI (Advanced Host Controller Interface), které umožňuje využívat některé pokročilé funkce jako například SATA hotplug a Native Command Queuing (NCQ). Pokud není AHCI povoleno základní deskou nebo chipsetem (resp. nastavením v BIOSu), SATA řadič obvykle pracuje v módu „IDE emulace"
HotPlug
Technologie Hot Plug umožňuje odpojit či připojit daný disk i za běhu a v případě podpory i při spuštěném operačním systému.
NCQ
NCQ (Native Command Queuing) je technologie, která v některých případech umožňuje zvýšit výkon pevných disků s rozhraním SATA. Při použití NCQ pevný disk sám optimalizuje pořadí, ve kterém jsou vykonány požadavky na zápis nebo čtení. Tato optimalizace může redukovat nadbytečný pohyb hlaviček disku. Tím se zvýší rychlost přenosu dat mezi řadičem a diskem a také se mírně sníží opotřebení disku.
Specifikace datového vodiče (SATA specifikuje i speciání napájecí konktor - neuveden)
| Vodič | Funkce |
|---|
- | Zem
- | DATA A+
- | DATA A-
- | Zem
- | DATA B+
- | DATA B-
- | Zem
Existuje i varianta eSATA pro externí zařízení a eSATAp, která je i napájena.
PCI-Express (též PCIe, PCI-E nebo 3GIO = 3rd Generation I/O) je standard vysoko rychlostní (full duplex) systémové sběrnice, který byl vytvořen jako náhrada za starší standardy PCI, PCI-X a AGP. Označení sběrnice není zcela správné, protože se jedná o dvoubodové spoje, na kterých jsou data přenášena bez potřeby adresy (adresace zařízení). Sběrnice PCI-Express používá sériový přenos dat (na rozdíl od svých předchůdců), protože to přináší proti paralelnímu přenosu některé výhody, zejména možnost dále zvyšovat frekvenci, na které sběrnice pracuje a tím i přenosovou rychlost.
- http://vyvoj.hw.cz/teorie-a-praxe/dokumentace/pci-express-obecny-popis.html
- http://www.root.cz/clanky/interni-sbernice-pci-express/
- https://cs.wikipedia.org/wiki/PCI-Express
- http://www.svethardware.cz/technologie-sbernice-pci-express/11606
| Verze | Kódování | Přenosová rychlost | Propustnost 1x | Propustnost 4x | Propustnost 8x | Propustnost 16x |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 | 8b/10b | 2.5 GT/s | 250 MB/s | 1 GB/s | 2 GB/s | 4 GB/s |
| 2.0 | 8b/10b | 5 GT/s | 500 MB/s | 2 GB/s | 4 GB/s | 8 GB/s |
| 3.0 | 128b/130b | 8 GT/s | 984.6 MB/s | 3.938 GB/s | 7.877 GB/s | 15.754 GB/s |
| 4.0 (future) | 128b/130b | 16 GT/s | 1.969 GB/s | 7.877 GB/s | 15.754 GB/s | 31.508 GB/s |
PCI Express Link reprezentuje komunikační kanál mezi dvěma zařízeními sběrnice PCI Express. Základní PCI Express Link je sestaven ze dvou nízkonapěťových diferenciálních párů a to přijímacího a vysílacího komunikačního páru označovaného jako Lane. Činnost vysílače i přijímače je na sobě nezávislá a Link tvoří plně duplexní komunikační kanál.
-
Základní link se skládá ze dvou jednosměrných diferenciálních párů v každém směru, reprezentující přijímací a vysílací pár. Hodinový signál je kódovaný do datového toku, aby mohlo být dosaženo maximální přenosové rychlosti. Samostatně vedené hodiny a data na vysokých frekvencích jsou náchylné k fázovému posunů a jitteru.
-
Každý link může pracovat s příslušnými signálovými úrovněmi pro které byl navržen. Přenosová rychlost dle současné specifikace dosahuje 2,5Gbitu/s na jeden Lane v jednom směru. Zvýšení pracovní frekvence se předpokládá v dalších verzích specifikace.
-
Každý Link musí podporovat alespoň jeden Lane. Pro zvýšení přenosové rychlosti je možné využít sdružování Lanes do Linků v povolené šířce. Obvykle se jedná o hodnoty x1, x2, x4, x8, x12, x16 a x32. Stejná šířka musí byt dodržena jak pro přijímací, tak vysílací část.
-
Během hardwarové inicializace Linku se vyjedná pracovní frekvence a počet Lanes sestavujících Link. Obdoba vyjednávání pracovní frekvence sítí typu Ethernet.
-
Zajímavé a užitečné je, že i v konektoru ×16 je možné použít kartu, která má menší počet drah (×1, ×2 atd.). Taková karta bude pracovat, i když samozřejmě na nižší rychlosti.*
Struktura PCI-e
Podobně jako sběrnice PCI, tak i sběrnice PCI Express je sestavena ze zařízení, která jsou vzájemně propojena a zajišťují nezbytné funkce sběrnice. Jedné se o zařizení:
- root complex
- switches
- endpoints
- bridges.
Od všech konektorů vedou jednotlivé dráhy do přepínače (switch), který (teoreticky) dokáže libovolné dvě dráhy propojit a vytvořit tak strukturu typu point-to-point. Na jednu stranu je sice nutné, aby byl na základní desce přítomen poměrně složitý přepínač, na stranu druhou však odpadá arbitrážní obvod (který také nebyl zcela jednoduchý) a především: každá dráha může přenášet data maximální rychlostí (samozřejmě obousměrně, čehož se však nedá vždy zcela využít) a zařízení se tak nemusí dělit o jedno přenosové pásmo tak, jak tomu bylo například u sběrnice PCI.