Thiết bị ngoại vi và ghép nối . chương 2

Chia sẻ: Nguyen Thi Ngoc Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khi thiết kế, xây dựng ghép nối máy tính, cần chú ý đặc biệt tới tín hiệu theo các yêu cầu: • Analog/Digital - discrete? • Digi: trạng tháI của sự vật, hiện t-ợng… format, ser/par, mức logic… • Ana: ỏp/dũng diện, dải do, dộ phõn ly, thời gian tỏc dộng, dộ chớnh xỏc, dộ lặp lại…

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết bị ngoại vi và ghép nối . chương 2

ch. 2 giao thøc ghÐp nèi (Interfacing Protocols) Bao gåm: - Giao thøc ghÐp nèi - §Æc ®iÓm lËp tr×nh I/O P&I-Ch2: Protocols 1 2.1. Interface Protocols: • K/n: Lµ c¸c qui ®Þnh: – Signals, cable, port, connector… – Data format – Rate – Error detection & correction – Command & Response set – Scenario (kÞch b¶n) ISO 7 layer Model (Ref. Computer networks) Cã thÓ ph©n chia thµnh 2 nhãm chÝnh: • Transport-Oriented Protocols (1..4) (!!!) – PhysicAL (wire, cable, connector, port), DataLink (CRC, CS, Token), NetWork (Comm. 2 networks ), Transport (Err-protected raw infor), • Application-Oriented Protocols (5..7) : – Session (Opening, End), Presentation (Common Language) vµ Application (Read/Write, Start/Stop, FileTransfer) P&I-Ch2: Protocols 2 1
2.1. Interface Protocols: 2.1.1. Signals: Khi thiÕt kÕ, x©y dùng ghÐp nèi m¸y tÝnh, cÇn chó ý ®Æc biÖt tíi tÝn hiÖu theo c¸c yªu cÇu: • Analog/Digital - discrete? • Digi: tr¹ng th¸I cña sù vËt, hiÖn t−îng… format, ser/par, møc logic… • Ana: áp/dòng điện, dải đo, độ phân ly, thời gian tác động, độ chính xác, độ lặp lại…gia tri do • ThiÕt bÞ th«ng minh: Tïy cÊp ®é: gi−a desktop vµ ES hay EM víi device. • H¬n 1 thiÕt bÞ? => bus/m¹ng hay kh«ng ? => dïng bit (tr−êng) ®Þa chØ - tïy tõng mÆt c¾t P&I-Ch2: Protocols 3 • NÕu dïng bus => Standard bus hay kh«ng (ISA, I2C, USB... Hay c¸c bus trªn chuÈn RS485)? • IDE vµ LPT - mode 0 cables lµ bus? t¹i sao? • Kho¶ng c¸ch: Xa /gÇn => Serial vs Parallel, cã liªn quan tèc ®é • Xa: Daisy chain cho t/h hoÆc nguån cÊp... • C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn vµ tr¹ng th¸i: – Control signals – Status signals – Handshaking signals - bắt tay P&I-Ch2: Protocols 4 2
• Daisy chain: – Nối các thiết bị có khoảng cách từ vài đến vài chục m, output của port (module) thứ n nối với input của n+1. Đặc biệt ở các Field Buses, có thể lên tới kms – Dùng cho tín hiệu (// & nt), nguồn cung cấp, handshake... – Ví dụ bảng điện tử, 74HC595, A6276, TL7059… P&I-Ch2: Protocols 5 2.1. Interface Protocols: 2.1.1. Signals: • VÝ dô 1: PC-LPT handshaking: PC SLCT SLTC_in Line Printer LPT port H×nh 2.1.a. LPT handshake Signal P&I-Ch2: Protocols 6 3
2.1. Interface Protocols: 2.1.1. Signals: • VÝ dô 2: PC Comm-Modem handshaking - ch.5. Tuy nhiªn cã thÓ b¾t tay b»ng ký tù, kh«ng dïng t/h RTS CTS PC 1 Modem or Comm PC 2 Port Comm DTR DSR Port H×nh 2.1.b. CommPort Handshake Signals •Ph−¬ng ph¸p biÕn ®æi tÝn hiÖu: biªn, tÇn, pha, dßng, quang (c¸p quang, Ir) P&I-Ch2: Protocols 7 2.1. Interface Protocols: 2.1.1. Signals: • T/c vật lý của tín hiệu: là hàm của thời gian, mức áp/dòng • Direction: In/Out, chú ý về chiều của dòng điện • Voltage/Current/Optical/wave • Chú ý Input Voltage: -0.5V => +0.5V so với nguồn cấp. Nếu dải áp lớn hơn phải dùng diode bảo vệ. Ví dụ bằng hình ảnh • Mức điện áp: Mức áp? (TTL ? (transistor transistor logic- [0..0.8V/ 2..5V]) , 12V/ 24V/48V...) • Single End (đơn cực) vs Differential (vi sai) signals: • Single End signal: • Tín hiệu là điện thế so với 1 thế chuẩn, thường là Gnd, ( 0 Volt) • Ví dụ: Các tín hiệu trên bus (data, addr, control), Centronics port, RS232 ports.. • Có n tín hiệu => cần có ít nhất n+1 dây dẫn • Nhạy cảm với nhiễu, tốc độ thấp hơn so với cùng chuẩn P&I-Ch2: Protocols 8 4
• Differential Signal: Tín hiệu vi sai – N tín hiệu => 2 n dây dẫn. Ở phía thu: • (Va-Vb) > 100mV => logic 1, tùy thuộc chuẩn được áp dụng • (Va-Vb) chịu được nhiễu rất tốt vì phía thu: • Uin=k(Va-Vb) => những thành phần giống nhau được loại bỏ. – Khoảng cách lớn, tốc độ cao. – IC: SN75176 của TI là ví dụ – Địa chỉ ứng dụng: USB cable, Profi Bus… P&I-Ch2: Protocols 9 • Ví dụ đối chứng: – RS232: đơn cực, 9600bps chỉ dẫn xa được 100 feet (33m) • Mouse, … ghép nối các thiết bị trong PTN, test… • Profibus, USB, Ethernet dùng biến áp xung… • Có thể dùng dây không bọc kim P&I-Ch2: Protocols 10 5
• Khả năng phối hợp tải - dòng điện ra: (Fan Out, Loading): + Number of Standard/LS TTL loads, chú ý chiều dòng điện + Sink: dòng vào – LowLevel, (cỡ mA), + Source: dòng ra – HighLevel, mA/uA.(H. 2.1.c) • Nối chung/ghép nối bus đơn giản: 3 state (Hi Z), open collector (Open Drain), Mux – dồn kênh, Switch - khóa. • Hot swap – hot plugible: Y/c Vcc và t/h ( www.atmel.com ) • Cách ly (isolation): Relay, Opto Coupler, IrLED... • Bus Slot, Connector, chuẩn, số chân (pin) P&I-Ch2: Protocols 11 P&I-Ch2: Protocols 12 6
H. 2.1d. Open Collector. Nếu là FET, so called Open Drain P&I-Ch2: Protocols 13 S¬ ®å c¸ch ly quang häc ®/v tÝn hiÖu In/Out: Hình 2.2. Opto Coupler P&I-Ch2: Protocols 14 7
Cable & Connectors: • Connectors: – D shell: DB9, DB25,... – DIN, • Cable: • Flat, • Coaxial, • Shield: cho tín hiệu hoặc nguồn cấp (!) • Twisted Pair: Cat. 5, Cat. 6… • Normal: vi sai • Optical Fiber... H×nh 2.3.a. Connectors P&I-Ch2: Protocols 15 H×nh 2.3.b. Optical Connector & S¬ ®å: P&I-Ch2: Protocols 16 8
H×nh 2.3.c. Sîi c¸p quang: P&I-Ch2: Protocols 17 2.1. Interface Protocols: 2.1.2. Format sè liÖu: • Th«ng tin ®−îc ®Þnh d¹ng theo: binary/hex (ASCII) - VÝ dô: 1 sè ®o nhiÖt ®é 12bit, d¶I gi¸ trÞ 0 ®Õn 999oC. Khi l−u trong CSDL, truyÒn tin: + binary: 12 bit ( 1,5 byte), tiÕt kiÖm bé nhí, thêi gian truyÒn + ASCII: 3 characters, dÔ qu¶n trÞ: kiÓm so¸t sai sè, hiÖn thÞ • L−îng tin lín => khi trao ®æi (với DAS, PLC, Digi-Oscilloscope, GPS, TelSat...) ‘®ãng gãi’ sè liÖu (packaging) Mçi gãi tin (packet) gåm 3 phÇn: • Header: [cã thÓ cã: tªn b¶n tin, tªn gãi, sè thø tù, ký tù b¾t tay, ký tù ®ång bé, sè ký tù/ byte trong gãi tin...], kh«ng mang tin. • Content: néi dung tin - mang th«ng tin. • Tailer: M∙ b¾t tay kÕt thóc, [m∙ kiÓm tra lçi] - kh«ng mang tin. VÝ dô: HDC, FDC: Full Sector: gap - 5 byte ID field - 2 byte ID CRC - gap - data field: 512 byte - 2 byte CRC. FTP, Kermit, X-Modem.. Protocols: 128[256] B/pack. P&I-Ch2: Protocols 18 9
H×nh 2.3.d. USB data packet format • Byte sè liÖu/character/frame: (truyÒn kh«ng ®ång bé, RS-232, RS-485, RS-422...): ký tù hay byte ®−îc ®Þnh d¹ng thµnh 1 frame: • 1 start bit = 0, • 5/6/7/8 data bit, D0 first, • [parity: Even/ Odd], • 1 / [1.5 / 2] stop bit = 1(s). P&I-Ch2: Protocols 19 2.1. Interface Protocols: 2.1.3. Tèc ®é và kho¶ng c¸ch trao ®æi th«ng tin: • Xuất phát từ: Nhu cầu trao đổi thông tin của hệ (tốc độ và khoảng cách) => chọn kiểu truyền thích hợp, có liên quan tới t/h: • Chỉ ra ”bottle-neck”, khắc phục được => xuất hiện hiện bottle neck, ở mức độ thấp hơn, • Phụ thuộc Khoảng cách - tích số (k/c và tốc độ) • Nhiễu: theo công thức Shannon: bps = BW log2 (1+P/N). Với BW: bandwidth, P/N tỷ số công suất tín hiệu/ nhiễu (not a dB ratio) • Đường truyền: (công nghiệp), đường truyền (cáp đồng, quang, wireless: radio, infrared), • Synchronous/Asynchronous?, • Modulation/Demodulation ... => tốc độ bao nhiêu kbps/kBps? Ví dụ: LPT: SPP mode: 50..100kBps - software, ECP: 2..4 MBps - DMA LAN Ethernet – IEEE 802.3: 10/100 Mbps dual speed RS232: 2400/ 4800/ 9600/ 19200... bps P&I-Ch2: Protocols 20 10
2.1. Interface Protocols: 2.1.4. KiÓm tra, söa lçi, n©ng cao ®é tin cËy: - Khi trao đổi thông tin thường hay gây ra lỗi, đặc biệt truyền xa/ chuyển đổi t/h. Nhiều phương pháp (Hardware, Software) hỗ trợ để kiểm tra: - [Block] check sum - BCC, phần mềm: tính tổng của tất cả các ký tự, các byte. Kết quả có thể: 1 byte wo carry, phép XOR, 2 byte w/wo hoặc lấy bù 2 (ví dụ BIOS ROM. Ext BIOS started @ chẵn 2K, 2 ô đầu là mã 55h và AAh, độ dài của mảng ROM BIOS đó tính theo kiểu 1count – 512 byte; checksum bù 2 sao cho tổng của tất cả các byte và mã checksum luôn bằng zero) - CRC, ECC,... vi mạch/ software - subroutine - Parity, 1 hoặc 2 chiều - Redundancy (RAID), thừa dư: trao đổi nội dung số liệu hơn 1 lần và so sánh. Case study: Barcode Phương pháp mã hóa, giải mã và kiểm tra 21 P&I-Ch2: Protocols lỗi 2.1.4. KiÓm tra, söa lçi, n©ng cao ®é tin cËy: • Bar Code: EAN 13, CODE 39 (Intermec), CODE 128 (Zebra), UPC ... • Case study: EAN 13 (European article numbering) - Encoding: AAA BBBBB CCCC D; 4 độ dày vạch, 6 vạch/digit (b&w) - A(National): VN 893, CN 690-692, JP 45-49, GE 400-440, RU 460-469 - B: com/ org - C: Product - D - Check sum, right most: (right to left): - 10 - [(D2*3 + D3*1 + D4*3 + D5*1...+ D13*1)mod10] Ví dụ: 893 12345 1234 7 • CODE 128, Zebra, check sum modulo 103 P&I-Ch2: Protocols 22 11
2.1. Interface Protocols: 2.1.5. Command & Response (Result/Reaction) set: • Khi ghép Intelligent Devices (Computerized devices - mouse, KB, Printer, modem, FDC, HDC, RTU...) có nhiều tham số, chế độ hoạt động => xây dựng bộ lệnh (command set) và thông tin trả về (response set). • Các câu lệnh phần mềm => bớt tín hiệu và cổng phần cứng. • Tập hợp các yêu cầu từ CS - command set, • Tập hợp các trả lời, trạng thái - result/response/ reaction set. • Data down/up • Syntax of command and response (structure and grammar). P&I-Ch2: Protocols 23 2.1. Interface Protocols: 2.1.5. Command & Response (Result) set: Case Studies: lệnh AT và Response Hayes MODEMs: Lệnh: ATDT 1260 ? ' Với nhiều Options Trả lời (reaction) OK [Error] . . . Connect @19200 (result) Lệnh FX Printer: Esc * m, n1, n2; Sel Graph Mode Tham khảo các bộ lệnh của các thiết bị chuyên dùng: GPS, Gyrocompass, Digital Oscilloscope, SAGEM, TelSat, Programmer (Hi-Lo System All-11P2)... P&I-Ch2: Protocols 24 12
2.1. Interface Protocols: 2.1.5. Command & Response (Result) set: 1 command/response - mã bắt đầu ký tự riêng như @ / # / $/ AT... - mã lệnh, 1..3 bytes/ char, - tham số lệnh, 1... n bytes, - mã kiểm tra lỗi check sum, CRC (dễ xử lý) - mã kết thúc, ký tự riêng. thường có cấu trúc: Có thêm các mã (ký tự) đối thoại/ reaction, [dùng] ký tự điều khiển của ASCII như: ENQ, ACK, NACK, Bell, OK, ERR, BUSY ... P&I-Ch2: Protocols 25 2.1. Interface Protocols: 2.1.6. KÞch b¶n ®èi tho¹i – Scenario: • Liệt kê các trường Master ENQ Slave hợp có thể rồi áp các phép xử lý ACK tương ứng để đảm NAK bảo việc ghép nối: không mất tin, thừa nothing tin, quẩn, treo... • Thường xây dựng: Step List hoặc Chart: • Time Out ! Hinh 2.4. Scenario Chart P&I-Ch2: Protocols 26 13
H×nh 2.5. USB Interlayer Interconnection Model P&I-Ch2: Protocols 27 2.2. Ph©n miÒn vµ lÖnh I/O: 2.2.1. IO Mapping: H×nh 2.6. Ph©n miÒn c¸c cæng I/O P&I-Ch2: Protocols 28 14
Memory Mapped IOs: o IOs chung víi Mem trong MemSpace => chiÕm vïng nhí, tốn vùng nhớ o CPU xö lý c¸c cæng IO b»ng c¸c lÖnh nh− ®/v mem. IO Mapped IOs: (Z80, x86...): o Kh«ng chiÕm kh«ng gian nhí, o CPU chØ thùc hiÖn 2 lÖnh: IN vµ OUT • x86 CPU’s IO map: IO mapped IOs, 16 Addr bit IO => 64Kilo IO locations. PC’s IO map: o IO Mapped IOs, P&I-Ch2: Protocols 29 2.2.2. LÖnh In/Out: (x86) : • LÖnh IN vµ OUT: chØ dïng c¸c thanh ghi Accumulator: 8 bit: AL, 16 bit: AX vµ 32 bit: EAX. • ChÕ ®é ®Þa chØ: o Direct: for IO space: 0..0FFh VÝ dô: in al,60h ; Read KB port out 23Eh, ax ; lÖnh sai, IOaddr>255 out 61h, al ; beep, set/reset key flag o Indirect: for IO space 0..0FFFFh, via dx register VÝ dô: mov dx, 378h ; PLT port Addr mov al, ‘A’ ;41h/ 65d out dx, al ; 'A' ==> Printer mov dx,3F8h ;Comm 1 port in al,dx ; P&I-Ch2: Protocols 30 15
Phụ lục PC’s I/O Port Map Port (hex) Port Assignments 000-00F DMA Controller, đkh truy nhập trực tiếp 1, 4 kênh 8 bit 020-02F Master PIC 8259A, ưu tiên ngắt 1, IRQ0 – IRQ7 040-05F PIT, Programmable Interval Timer 060-06F Keyboard Port, 070-071 Real Time Clock và 64 byte CMOS-RAM 080-083 DMA Page Register, giữ địa chỉ cao P&I-Ch2: Protocols 31 0A0-0AF PIC #2, Bộ đkh ưu tiên ngắt số 2, IRQ8 – IRQ15 0C0-0CF DMAC #2, 3 kênh DRQ 16 bit 0E0-0EF reserved, để dành 110-16F AVAILABLE, để dành 170-17F Hard Drive 1 (AT) 180-1EF AVAILABLE 1F0-1FF Hard Drive 0 (AT) 200-20F Game Adapter P&I-Ch2: Protocols 32 16
210-217 Expansion Card Ports 220-26F AVAILABLE 278-27F Parallel Port 2/ LPT2 280-2A1 AVAILABLE 2A2-2A3 clock 2B0-2DF EGA/Video 2E2-2E3 Data Acquisition Adapter (AT) 2E8-2EF Serial Port COM4 2F0-2F7 Reserved 2F8-2FF Serial Port COM2 300-31F Prototype Adapter, cho người dùng phát triển 320-32F AVAILABLE P&I-Ch2: Protocols 33 340-35F AVAILABLE 360-36F Network, LAN adaptor 370-377 Floppy Disk Controller 378-37F Parallel Port 1, LPT1 380-38F SDLC Adapter 390-39F Cluster Adapter 3A0-3AF reserved 3B0-3BF Monochrome Adapter 3BC-3BF Parallel Port 3 P&I-Ch2: Protocols 34 17
3C0-3CF EGA/VGA 3D0-3DF Color Graphics Adapter 3E8-3EF Serial Port COM3 3F0-3F7 Floppy Disk Controller 3F8-3FF Serial Port COM1 • Soundblaster cards usually use I/O ports 220-22F • Data acquisition cards frequently use 300-31F. P&I-Ch2: Protocols 35 Bµi tËp ch−¬ng 2 2.1. Tham kh¶o mét sè giao thøc: MODBUS (AEG) modbus.org, ProfiBus, ASI (Siemens), RTU ASCII (ABB), I2C... tõ ®ã thiÕt kÕ ®å ¸n m«n häc: hÖ thu thËp - ®iÒu khiÓn ph©n t¸n (Mini SCADA) 2.2. USB Protocol 2.3. ThiÕt kÕ giao thøc truyÒn file gi÷a 2 m¸y tÝnh (LPT/ Comm). P&I-Ch2: Protocols 36 18