Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

В качестве недостатков этого способа можно отметить следующие:

– для устройства сопряжения (УСО) следует применять промышленный способ изготовления печатных плат (требуется высокая плотность монтажа, что не всегда возможно в лабораторных условиях);

– в современных ПК может возникнуть проблема, связанная с недостатком свободных аппаратных прерываний, не говоря уже о сложности настройки подобного устройства, особенно если устройство работает в режиме аппаратных прерываний;

– на материнских платах формата microATX/AT может просто не хватить места для платы сопряжения (на таких платах обычно устанавливается всего 1–2 PCI или ISA-разъема), а также возникнет проблема с физическим размещением платы в корпусе вследствие его малых габаритов;

– многие производители материнских плат для современных ПК не включают в состав своих изделий шину ISA (хотя она широко применяется в промышленных компьютерах), следовательно, разработчик должен быть уверен в том, с какой компьютерной платформой ему придется работать.

В качестве достоинств можно назвать следующие:

– освобождение внешних интерфейсов ввода-вывода, что решает проблему подключения периферийных устройств;

– разрядность шин определяет большое адресное пространство, т.е. возможность подключения (адресации) большего (относительно COM и LPT) количества устройств;

– большая (относительно COM и LPT) скорость передачи данных.

Говоря о достоинствах и недостатках системного интерфейса, следует помнить, что если он и дает большие возможности работы с устройствами, но зато предъявляет более жесткие требования как к аппаратной части, так и к программному обеспечению.

Второй способ реализации УСО заключается в использовании внешних периферийных интерфейсов (параллельных – LPT-порт, последовательных – COM, USB). Он предусматривает применение стандартных портов и программирование контроллера ввода-вывода.

Отметим недостатки:

– количество внешних интерфейсов ввода-вывода ограничено (LPT, COM, USB), однако на данный момент эти порты активно используются стандартными устройствами (модемы, мыши, принтеры, сканеры и др.);

– в большинстве случаев требуется внешний источник питания, если устройство потребляет много электроэнергии или порт не оснащен цепями источника питания;

– невысокая скорость передачи данных и малое адресное пространство ограничивают область применения и функциональность.

Достоинства:

– практически неограниченные физические размеры УСО;

– простота физической реализации монтажных схем;

– более безопасны в случае нештатных ситуаций (короткое замыкание цепей питания на плате УСО), так как при самых неблагоприятных условиях выйдет из строя только устройство или контроллер порта ввода-вывода, но ни в коем случае не вся материнская плата.

Как видно из вышеизложенного, в наличии разработчика УСО имеются различные варианты использования портов ПК для подключения внешних устройств как по реализации (с точки зрения скорости подключения) и адресуемости подключаемых устройств, так и по удобству разработки и внедрения. Для создания УСО необходимо определиться с информационной емкостью объектов управления и контроля, с необходимой скоростью передачи данных и адресов, природой сигналов.

1.3 Стандарт IEEE 1284

Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) [2], принятый в 1994 году, описывает порты SPP, ЕРР и ЕСР. Стандарт определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

• Режим совместимости (Compatibility Mode) - однонаправленный вывод по протоколу Centronics. Этот режим соответствует SPP-порту.

• Полубайтный режим (Nibble Mode) - один байт информации через линию состояния вводится по 4 бита в два цикла. Поддерживается всеми портами.

• Байтный режим (Byte Mode) - ввод байта данных осуществляется по линии данных за один цикл ввода. Работает только на Bi-Directional или PS/2 Type 1 портах.

• Режим ЕРР (Extended Parallel Port Mode) - двунаправленный обмен данными, где управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту. Эффективен при работе с устройствами внешней памяти и адаптерами локальных сетей.

• Режим ЕСР (Extended Capability Port Mode) - двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE (Run Length Encoding), с возможностью сжатия информации с коэффициентом до 64:1 и использования DMA. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно, но отлично от режима EPP. Данный режим обычно применяется при подключении принтеров и сканнеров.

Стандарт определяет способ, по которому ПО может определить режим, доступный и хосту (PC), и периферийному устройству (или присоединенному второму компьютеру). Режимы нестандартных портов, реализующих протокол обмена Centronics аппаратно (Fast Centronics, Parallel Port FIFO Mode), могут и не являться режимами IEEE 1284, несмотря на наличие в них черт ЕРР и ЕСР.

Если параллельный порт расположен на системной плате ПК, то режим его работы задаётся в BIOS Setup, а если на плате расширения – перемычками на этой плате.

1.4 USB интерфейс

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике [3].

Кабель USB (до 2.0 включительно) состоит из 4 медных проводников - 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре - и заземленной оплётки (экрана).

USB кабели обычно имеют разные наконечники «к хосту» и «к устройству», эти разъемы стандартизированы и имеют названия «Тип А» и «Тип B» соответственно. Возможна и реализация устройств с одним наконечником «к хосту», наконечник «к устройству» отсутствует, так как кабель впаян в само устройство. Для full и high speed устройств реализация без наконечников запрещена стандартом, но всё равно нарушается производителями. Так же возможна и реализация устройств без кабеля со встроенным наконечником к «хосту».

При соединении USB-устройства и USB-хоста формируется USB интерфейс. Функциональность всего интерфейса обеспечивает программно-управляемый USB-контроллер, который и является хостом. Контроллер как правило интегрирован в микросхему южного моста, но не обязательно. Соединение USB-контроллера с внешними устройствами происходит через USB-концентратор, он же хаб, он же разветвитель. USB-шина имеет древовидную топологию и имеет не один USB-хаб. Концентратор самого верхнего уровня называется корневым (root hub), который встроен в сам USB-контроллер.

Расширить количество USB-портов можно с помощью внешних хабов, причем допускается до пяти уровней каскадирования, не включая корневой хаб.

На USB-шине присутствует питание +5 В с выходным током до 500 мА, что позволяет использовать подключаемые устройства без внешнего источника питания, но это не является обязательным.

USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств. Это достигнуто увеличенной длиной заземляющего контакта разъёма по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты, потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.

Передача данных на логическом уровне осуществляется транзакциями приёма и передачи, каждый пакет каждой транзакции содержит номер оконечной точки (endpoint). При подключении устройства к компьютеру драйвера ОС считывают список оконечных точек и формируют управляющие структуры данных для общения с устройством. Совокупность структур данных и оконечной точки называется каналом (pipe).

Есть 4 класса оконечных точек - поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt). Низкоскоростные устройства не имеют изохронные и поточные каналы.

Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.

Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки - пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры/мыши/джойстики).

Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 кГц у low и full speed, 8 МГц у high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации.

Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.

Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют DMA в паре с DMA-программой, формируемой драйвером.

Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, не подлежащая изменению. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB.

Технические характеристики:

Для USB 1.1

- два режима работы:

1. низкоскоростной режим (Low-Speed) - 1,5 Мбит/с;

2. высокоскоростной режим (Full-Speed) - 12 Мбит/с.

- для Low-Speed режима максимальная длина кабеля составляет 3 м;

- для Full-Speed - 5 м;

- максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) – 127;

- возможно подключение «разноскоростных» периферийных устройств к одному контроллеру USB;

- напряжение питания для периферийных устройств - 5 В;

- максимальный ток, потребляемый периферийным устройством- 500 мА.

Для USB 2.0 регламентировано три режима работы:

- Low-speed, 10-1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики, геймпады);

- Full-speed, 0,5-12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства);

- High-speed, 25-480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации).

2 Техническая часть

2.1 Описание электрической принципиальной схемы

Устройство сопряжения с объектами выполнено на базе параллельного программируемого интерфейса КР580ВВ55А, что позволило иметь возможность настраивать порты на ввод или вывод. Принципиальна схема устройства представлена на листе 6 графического материала.

Устройство состоит из кросс-платы и от одной до четырёх идентичных по конструкции плат ввода/вывода.

2.1.1 Описание электрической принципиальной схемы кросс-платы

Кросс-плата предназначена для управления и подключения плат ввода/вывода. Она включает одну микросхему КР580ВВ55А, которая является Master устройства; два четырёхразрядных дешифратора, обеспечивающих возможность реализации выбора одного или сразу двух Slave микросхем; AVR-микроконтроллер со всей его обвязкой, с помощью которого и осуществляется связь устройства с хостом по USB протоколу; схему питания устройства постоянным током, напряжением +5 В.

AVR-микроконтроллер DD1 предназначен для сопряжения последовательного USB интерфейса с параллельным программируемым интерфейсом DD2. DD2 – Master, интерфейс верхнего уровня устройства, управляет интерфейсами нижнего уровня, Slave, то есть микросхемами DD5..DD12, которые так же являются параллельными программируемыми интерфейсами, но играют роль выходных регистров устройства в портах, настроенных на вывод дискретной информации, и входными портами ввода дискретной информации.

Управляющие входы DD2 подключены к порту PB DD1. Chip Select (CS – выбор чипа) в данной схеме заземлён, Set Reset (SR – сигнал перезагрузки) – подключён к линии PB4 DD1. Входы A0, A1 DD2 параллельно подключены к регистрам PB0, PB1 DD1 соответственно.

Характеристики

Список файлов ВКР