interfaces de hardware

Una interfaz (interacción) es la conexión entre componentes y participantes en un sistema de microprocesador.

V sistema de microprocesador incluye: hardware, software y personas... Por lo tanto, se distinguen los siguientes tipos de interfaces:

• interfaz de hardware;

• interfaz de software;

• interfaz de usuario.

Interfaz de programación proporcionada por el sistema operativo (si existe). Las interfaces de usuario más comunes son una interfaz gráfica (por ejemplo, el escritorio de una computadora con iconos o botones de comando en el editor de Microsoft Office Word) y una interfaz de joystick, donde seleccionamos el comando que necesitamos navegando a través de menús (por ejemplo, teléfonos móviles , controladores programables), que también es un tipo de GUI.

Una interfaz de hardware es un sistema de buses, conectores, dispositivos coincidentes, algoritmos y protocolos que proporcionan comunicación entre todas las partes de un sistema de microprocesador. El rendimiento y la fiabilidad del sistema dependen de las características de la interfaz.

En los sistemas de microprocesador integrado, la interfaz de hardware la proporcionan los controladores de descarga de la CPU.Controlador Es un microcircuito especializado diseñado para realizar funciones de monitoreo y control. El controlador gestiona el funcionamiento del dispositivo, por ejemplo, disco duro, memoria de acceso aleatorio, teclado y asegura la conexión de este dispositivo con otros participantes en la MS.

Los neumáticos están controlados por puentes... En MS complejo, por ejemplo, como una computadora personal, el lugar central lo ocupa el «ChipSet» (ChipSet), un conjunto de puentes y controladores. El conjunto de chips contiene dos chips principales, que tradicionalmente se denominan puente sur y puente norte (Figura 1). El puente norte sirve al bus del sistema, bus de memoria, AGP (puerto de gráficos acelerados) y es el controlador principal de la computadora. El puente sur maneja el trabajo con dispositivos externos (bus PCI — bus I/O para conectar dispositivos periféricos).

Figura 1: Organizaciones de intercambio de datos en computadoras personales (PC)

La organización de la interacción entre el procesador y los dispositivos externos es la más difícil, debido a su gran variedad.

Las interfaces paralelas se caracterizan porque utilizan líneas de señal separadas para transmitir bits y los bits se transmiten simultáneamente. La interfaz paralela clásica es un puerto LPT.

Una interfaz de transmisión de datos en serie utiliza una sola línea de señal a través de la cual los bits de información se transmiten secuencialmente uno tras otro.

La interfaz serial más simple, que se ha generalizado tanto en las computadoras como en los sistemas industriales, es el estándar RS-232, que se implementa a través de los puertos COM... En la automatización industrial, se usa ampliamente el RS-485.

Un bus USB (Universal Serial Bus) conecta una amplia variedad de dispositivos periféricos a su computadora, incluidos teléfonos celulares y productos electrónicos de consumo.

La primera especificación de interfaz se llama USB 1.0, la especificación USB 2.0 se usa actualmente, los dispositivos modernos están conectados a la especificación USB 3.0.

El estándar USB 2.0 contiene cuatro líneas: recepción y transmisión de datos, fuente de alimentación de +5 V y estuche. Además de estos, USB 3.0 agrega cuatro líneas de comunicación más (2 para recibir y dos para transmitir) y un estuche.

El bus USB tiene un gran ancho de banda (USB 2.0 proporciona una tasa máxima de transferencia de datos de hasta 480 Mbps, USB 3.0 — hasta 5.0 Gbps) y proporciona no solo transferencia de datos, sino también fuente de alimentación para dispositivos externos de baja potencia (corriente máxima dispositivo de consumo a través de las líneas de alimentación del bus USB, no debe superar los 500 mA para USB 2.0 y 900 mA para USB 3.0), lo que elimina la necesidad de fuentes de alimentación externas.

Las interfaces inalámbricas (inalámbricas) le permiten alejarse de los cables de comunicación, lo cual es especialmente importante para dispositivos de tamaño pequeño, en tamaño y peso comparables a los cables. Uso de interfaces inalámbricas ondas electromagnéticas rangos de infrarrojos (IrDA) y radiofrecuencia (Bluetooth, USB inalámbrico).

Una interfaz IrDA de infrarrojos permite la comunicación inalámbrica entre dos dispositivos a una distancia de hasta 1 metro. Comunicación por infrarrojos - Conexión IR (infrarrojos) - segura para la salud, no provoca interferencias en el rango de radiofrecuencia y garantiza la privacidad de la transmisión. Los rayos infrarrojos no atraviesan las paredes, por lo que el área de recepción se limita a un área pequeña y fácilmente controlable.

Bluetooth (Bluetooth) es una interfaz de radio de baja potencia (potencia del transmisor de solo 1 mW) para organizar redes personales que proporcionan transmisión de datos en tiempo real en distancias cortas. Cada dispositivo Bluetooth tiene un transmisor y receptor de radio de 2,4 GHz. El alcance de la interfaz de radio es de unos 100 m, para cubrir una casa estándar.

USB inalámbrico (USB inalámbrico): una interfaz de radio de corto alcance con gran ancho de banda: 480 Mbps a una distancia de hasta 3 metros y 110 Mbps a una distancia de hasta 10 metros. Funciona en el rango de frecuencia 3,1 — 10,6 GHz.

Una interfaz RS-232 (RS: estándar recomendado) conecta dos dispositivos: una computadora y un dispositivo de transferencia de datos. La velocidad de transmisión es de 115 Kbps (máximo), la distancia de transmisión es de 15 m (máximo), el esquema de conexión es punto a punto.

Las señales de esta interfaz se transmiten mediante una caída de voltaje de (3 … 15) V, por lo tanto, la longitud de la línea de comunicación RS-232 está, por regla general, limitada a una distancia de varios metros debido a la baja inmunidad al ruido. Se usa con mayor frecuencia en equipos industriales, en una computadora personal se usa para conectar un manipulador de tipo "ratón", un módem. La interfaz RS-232 generalmente no permite la conexión en red ya que solo conecta 2 dispositivos.

Figura 2 — Conector RS-232 tipo DB9

La interfaz RS-485 es una interfaz serie industrial antiinterferencias de alta velocidad ampliamente utilizada para la transmisión de datos bidireccional. Casi todas las computadoras modernas en diseño industrial, la mayoría de los sensores y unidades contienen una u otra implementación de la interfaz RS-485.

Un par de hilos trenzados (par trenzado) es suficiente para la transmisión y recepción de datos.La transmisión de datos se realiza mediante señales diferenciales (la señal original va por un cable y su copia inversa por el otro). La diferencia de voltaje de una polaridad entre los cables significa uno lógico, la diferencia de la otra polaridad significa cero.

En presencia de interferencia externa, las derivaciones en los cables adyacentes son las mismas y, dado que la señal es la diferencia de potencial en los cables, el nivel de la señal permanece sin cambios. Esto proporciona una alta inmunidad al ruido y una longitud total de la línea de comunicación de hasta 1 km (y más con el uso de dispositivos especiales: repetidores).

La interfaz RS-485 permite el intercambio de datos entre varios dispositivos a través de una línea de comunicación de dos hilos en modo semidúplex (la recepción y la transmisión pasan por un par de hilos separados por tiempo). Es ampliamente utilizado en la industria para crear sistemas de control de procesos.

Ethernet (éter — éter): tecnología de transmisión de datos utilizada en la mayoría de las redes informáticas locales. Esta interfaz se basa en el estándar IEE 802.3 Mientras que la interfaz RS-485 se puede considerar de uno a muchos, Ethernet funciona de muchos a muchos.

Hay varias opciones dependiendo de la tasa de bits y el medio de transmisión:

• Ethernet — 10 Mbps

• Ethernet rápida: 100 Mbps

• GigabitEthernet: 1 Gbps

• Ethernet de 10 Gigabits

Como medios de transmisión se utilizan cable coaxial, par trenzado (bajo costo, alta inmunidad al ruido) y cable óptico (creación de líneas más largas y canales de comunicación de alta velocidad).

Par trenzado (par trenzado): un tipo de cable de comunicación, es uno o más pares de cables aislados trenzados entre sí y cubiertos con una funda de plástico.

Por ejemplo, cable FTP (par trenzado: par trenzado con un blindaje de lámina común y un conductor de cobre para drenar las corrientes inducidas), 4 pares (sólidos), categoría 5e (Figura 3). El cable está destinado a la instalación estacionaria en edificios, estructuras y trabajos en sistemas de cable estructurado. Diseñado para aplicaciones que operan en el rango de frecuencia con un límite superior de 100 MHz.

Figura 3 — par trenzado: 1 — cubierta exterior, 2 — blindaje de aluminio, 3 — hilo de drenaje, 4 — película protectora, 5 — par trenzado

A nivel físico, el protocolo Ethernet se implementa en forma de tarjetas de red integradas en sistemas de microprocesadores y concentradores que conectan los sistemas entre sí.

Las redes industriales (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) se construyen sobre la base de Ethernet, que compite con éxito con las redes desarrolladas anteriormente Profibus, DeviceNet, CANopen, etc.