Последовательные интерфейсы микропроцессорных систем

Архитектура 8- разрядных микроконтроллеров.

Встроенные в МК модули последовательных приемопередатчиков используются для реализации интерфейсов периферийных устройств, приборных интерфейсов и интерфейсов локальных вычислительных сетей. Понятие "интерфейс" пришло в область систем управления из вычислительной техники, поэтому определения различных типов интерфейсов МП- систем также даются в применении к ЭВМ.

Интерфейс периферийных устройств служит для подключения к системному интерфейсу МПС различных по принципу действия и скорости периферийных устройств, каждое из которых имеет специфичный приборный интерфейс. Примеры параллельных интерфейсов периферийных устройств: Centronics, IEEE-488. Наиболее распространенные последовательные интерфейсы периферийных устройств RS-232C, RS-422A, RS-485, USB.

Под приборным интерфейсом понимают совокупность неунифицированных сигналов и линий связи, которая обеспечивает обмен информацией и управление некоторым конкретным прибором. Функциональное назначение интерфейса периферийных устройств и приборного интерфейса одно и то же: связь ЭВМ с объектом управления. Но в первом случае эта связь осуществляется на основе стандартного решения, а во втором – произвольно выбранного разработчиком, оптимизированного для конкретного применения.

Применительно к МП- системам интерфейс периферийных устройств выступает в двух ролях. Первая – МК входит в состав системы управления периферийным устройством. В этом случае МК собственно выполняет функцию преобразования потока данных в стандарте какого-либо периферийного интерфейса к неунифицированным сигналам приборного интерфейса. Примером может служить клавиатура и "мышка" персональных компьютеров. Однако такие системы не ограничиваются компьютерной периферией. Современные средства измерения предусматривают возможность связи с компьютером. Причем МК, который обеспечивает обмен по последовательному каналу, не обязательно должен выполнять функции управления измерительным прибором. Двухсторонний обмен информацией с персональным компьютером по последовательному интерфейсу (постоянному или коммутируемому) – типовая функция МК встраиваемой МП- системы управления.

Вторая функция интерфейса периферийных устройств – связь МК с другими ИС микропроцессорной системы.

Одним из определяющих этапов начальной стадии проектирования МП- системы является выбор стандарта связи, позволяющего оптимально решить задачи контроля и управления путем установления режима гибкого обмена информацией между функциональными блоками системы. Основой большинства МП- систем является шинная топология. Прием и передача информации осуществляется по одним и тем же линиям связи, являющимися общими для всех абонентов системы, эти линии и представляют собственную шину данных системы. Отдельно взятое устройство взаимодействует с шиной данных посредством подключения выводов своего последовательного интерфейса к соответствующим линиям шины.

Для повышения эффективности процесса передачи данных используется метод программной адресации узлов. Любое сообщение, передаваемое по шине, имеет определяющий его содержание идентификатор или адрес, который включается в первое поле формата сообщения. Узлы, получившие идентификатор, сравнивают его значение со значением собственного внутреннего адреса и таблицей идентификаторов. Узел, которому было адресовано соответствующее послание (значения переданного и собственного адресов совпали), продолжает обмен данными. Остальные устройства системы устанавливаются в режим ожидания, не реагируя на передаваемые данные.

Часто в МП- системах применяется одно главное устройство (MASTER) и совокупность подчиненных (SLAVE). Инициализация и управление передачей данных осуществляется главным (ведущим) устройством. Передача данных от SLAVE к MASTER может быть осуществлена по требованию ведущего посылкой соответствующего кода в первом кадре сообщения ведущего. В каждом цикле связи в любой момент времени могут принимать участие только два узла из входящих в сеть: MASTER и выбранный им SLAVE. Рассмотренная категория сетей характерна для интерфейсов, работающих в режиме синхронной передачи данных.

При последовательном обмене данными (бит за битом) требуется обеспечить побитную и покадровую синхронизацию. Побитная синхронизация необходима для правильного приема передаваемых битов, покадровая синхронизация – для выделения сообщения из принятой последовательности битов. Интерфейсы периферийных устройств с последовательной передачей информации могут работать в асинхронном и синхронном режимах. В синхронном режиме параллельно с передачей по линии данных информационных битов по линии синхросигналов передается последовательность синхроимпульсов, что позволяет решить проблему побитной синхронизации передатчика и приемника независимо от длины сообщения.

В асинхронном режиме побитная синхронизация приемника и передатчика осуществляется по первому (стартовому) биту и затем поддерживается абонентами в течение времени передачи кадра стабильностью тактовых частот генераторов передатчика и приемника, частоты которых должны быть равны. Скорость передачи в асинхронном режиме ниже и допустимое число бит в информационной посылке (кадре) меньше.

Покадровая синхронизация в асинхронном режиме осуществляется обрамлением информации при передаче по линии стартовым и стоповым битами. Стандартный кадр для асинхронного режима передачи данных представлен на рис.

Покадровая синхронизация в синхронном режиме осуществляется использованием специальных кодовых последовательностей (флагов или специальных знаков) в общем случае в начале и конце кадра.