MDS-7-Rozhranni

Document Sample
MDS-7-Rozhranni Powered By Docstoc
					Sběrnice v měřicích
    systémech
   Multifunkční karty
              Komunikační rozhraní
   Dělení
       Funkce
            Kancelářské
            Laboratorní
            Průmyslové
       Struktura přenosu
            Sériové
            Paralelní
       Rozloha
            Mezikomponentní sběrnice
            Lokální
            Rozsáhlé

                                        2
              Komunikační rozhraní
   Hodnocení kvality
       Propustnost
            Baud/s – znaků za vteřinu
            b/s – bitů za vteřinu
            Špičková – Průměrná – Minimální
            Zaručená – Nezaručená
            Dobrý odkaz
             http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_device_bandwidths
       Doba přístupu k médiu
            Deterministické/Nedeterministické řízení
            Minimální – Průměrná – Maximální
            Zaručená – Nezaručená

                                                                      3
           Komunikační rozhraní
   Hodnocení kvality
       Rychlost odezvy
         Nejkratší doba cyklu výzva-odpověď
         Doba přístupu k médiu
         Propustnost – nejmenší velikost přenášené
          jednotky (paketu)
         Reţie vyšších síťových vrstev a hostitelského
          systému
         Minimální – Průměrná – Maximální
         Zaručená – Nezaručená

                                                          4
          Komunikační rozhraní
   Typické sběrnice: Propustnost vs. Dopravní zpoţdění




                                                                          5

                                     http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3509
RS-232
 Komunikační rozhraní: RS-232
 Kancelářské (ale hojně vyuţíváno kde se
  dá – laboratoř, průmysl)
 Lokální
       Specifikovaný dosah aţ 15 m – záleţí na
        rychlosti
 Point-To-Point
 Sériové, asynchronní
 1969 – EIA RS232-C
 1986 – EIA RS232-D
                                                  7
    Komunikační rozhraní: RS-232
   Signalizace napěťovou úrovní
       „Space“ = log.0 = +3…+25V
       „Mark“ = log.1 = -3…-25V
       +3V…-3V – nedefinováno, zakázáno
       Zkratový proud max. 500mA
   Tak praví EIA RS232-C
       Dále definuje kapacitu kabeláţe, max. přenosovou
        rychlost (20000 Baud/s ) a jiné parametry
   Dnes
       Definováno převáţně torzem zvaným COM port PC
       Specifikuje rozloţení signálů na konektorech
       Konektor Cannon DB9, DB25
                                                                         8

                               http://yost.com/computers/RJ45-serial/index.html
Komunikační rozhraní: RS-232
                                                Baud      Maximum cable
   Přenosové médium                            rate
                                               19200
                                                            length [m]
                                                                 15
                                                9600            150

       Libovolný metalický kabel     4800                      300
                                      2400                      920
       Maximální kapacita 2500pF
       Délka je omezena rušením a kapacitou
   Formát
       Asychronní, bytově synchronizovaný
       Symbolová rychlost 50, 100, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600,
        19200, 38400, 57600, 115200
       Synchronizace START bitem, 5-8 datových bitů, parita (sudá,
        lichá, MARK, SPACE, není), 1..2 STOP bity

                                                                             9

                             http://www.lammertbies.nl/comm/info/RS-232_specs.html
Komunikační rozhraní: RS-232
   Signalizace

    +10V




                                                            PARITA
            START




                                                                     STOP
                         D1
                    D0



                              D2

                                   D3

                                        D4

                                             D5

                                                  D6

                                                       D7
    -10V
                Sychronizační hrana
    klid

    LOG     0       X    X    X    X    X    X    X    X    X        1


                                                                            10
Komunikační rozhraní: RS-232

                                    RJ45 – nestandardní, doporučené
                                    zapojení zmíněno v EIA RS-232D

  DCON 25   DCON 9   Zkratka   Směr                Název
     2        3       TxD                     Transmit Data
     3        2       RxD                     Receive Data
     4        7       RTS                   Request To Send
     5        8       CTS                     Clear To Send
     6        6       DSR                    Data Set Ready
     7        5        SG                     Signal Ground
     8        1        CD                     Carrier Detect
    20        4       DTR                 Data Terminal Ready
    22        9        RI                    Ring Indicator

                                                                      11
    Komunikační rozhraní: RS-232
   Doba odezvy
        19200 baud/s – minimálně 1,2 ms
        Typicky (reţie systému a aplikace) – 6..10 ms

   Shrnutí
        Jednoduché, dostupné
        Široká podpora ze strany operačních i měřících systémů
        Pouze PTP spojení, malá odolnost proti rušení
        Levná kabeláţ, nízké pořizovací náklady

   http://www.beyondlogic.org/serial/serial.htm
   http://www.vahal.cz/sysman.htm
   http://www.camiresearch.com/Data_Com_Basics/RS232_standard.html
   http://www.bb-europe.com/tech_articles/faq_rs232_connections_work.asp
   http://rs232.hw.cz
                                                                            12
RS-422/485
    Komunikační rozhraní: RS-485
   Průmyslové
   Rozsáhlé
       Specifikovaný rozsah 1200 m
       V závislosti na rychlosti a přenosovém médiu i 10 km
   Sběrnice, organizace master-slave
   Reţim přenosu jako RS-232 – sériový, asynchronní,
    bytově synchronizovaný
   Definuje FYZICKOU vrstvu OSI modelu
       Formát přenosu je na výrobci
       Specifikací vyšších vrstev nad fyzickou vrstvou RS485 jsou
        budovány další sběrnice
            ProfiBus – konektory, vodiče, protokoly, aţ po aplikační vrstvu

                                                                               14
    Komunikační rozhraní: RS-485
   Signalizace
       Napěťová, diferenciální
       Diference mezi vodiči A, B
            A → „-“ → invertující, při „Mark“ negativní vůči B
            B → „+“ → neinvertující, při „Mark“ pozitivní vůči A
       „Space“ = log.0 → (A-B) = +0,2..+6V
       „Mark“ = log.1 → (A-B) = -0,2..-6V
       A, B – plovoucí vůči nulovému potenciálu




                                                                                    15

                                                        http://en.wikipedia.org/wiki/RS-485
    Komunikační rozhraní: RS-485
   Signalizace – toleranční úrovně




                                                                     16
                    http://www.interfacebus.com/Design_Connector_RS422.html
    Komunikační rozhraní: RS-485
   Signalizace
       Plovoucí A,B – problém – izolovaný Driver/Receiver
       RS-485 – jeden vysílací/přijímací pár – přepínání směru
            Half-duplex
       RS-422 – vysílací + přijímací páry – bez přepínání
            Full-duplex, obvykle však Half-duplex
   Počet stanic na sběrnici
       Definován z maximálního elektrického zatíţení linky
       RS-422
            vysílač můţe napájet 10 standardních přijímačů, 4 kΩ zátěţ
            1 MASTER
       RS-485
            vysílač můţe napájet 32 standardních přijímačů, 12 kΩ zátěţ
            Definovány stanice s ¼ a 1/8 odběrem → aţ 256 stanic
            32 MASTERů
                                                                                17
                               http://www.interfacebus.com/Design_Connector_RS422.html
    Komunikační rozhraní: RS-485
   Zapojení RS-422 (MASTER pár)
       Jeden MASTER (TX)




                                   18
    Komunikační rozhraní: RS-485
   Zapojení RS-485 (společný pár)
       Aţ 32 MASTERů




                                     19
    Komunikační rozhraní: RS-485
   Kabeláţ
       EIA RS-422/485 nedefinuje
            obvykle se uvaţuje STP pár s kapacitou 16 pF/ft
   Dosah
       10(100?) kb/s → 1200 m
       Pravidlo (délka  rychlost) < 108
       Kapacita pouţitého kabelu
       ProfiBus specifikuje i aktivní repeater → několik km
       Převodníky na optiku → desítky km

                                                               20
    Komunikační rozhraní: RS-485
   Doba odezvy (čistě na fyzické vrstvě)
       19200 baud/s – minimálně 1,2 ms
       Typicky (reţie systému a aplikace) – 6..10 ms
       Sběrnice s definovanou vyšší vrstvou – 100 ms
       Shodné s RS232

   Shrnutí
       Sloţitější, standardizované interface obvody
       Silná podpora ze strany výrobců průmyslových přístrojů a
        výrobců elektronických součástek
       Sběrnicové řešení MASTER/SLAVE, velká odolnost proti rušení
       Nespecifikovaná kabeláţ
       Standardizována pouze fyzická vrstva → nekompatibilita mezi
        výrobci

                                                                  21
IEEE-488
    Komunikační rozhraní: IEEE-488
   GPIB (General Purpose Interface Bus), HPIB (Hewlett-
    Packard Interface Bus)
   Laboratorní rozhraní pro automatizované měření
   Lokální
       Maximálně 20m
       Existují bus-extendery → lze i o trošku dále
   Sběrnice
       Maximálně 31 zařízení (limitováno fyzickými moţnostmi
        adresace)
   IEEE dokumenty týkající se GP-IB
       IEEE-488.1: Standard Digital Interface for Programmable
        Instrumentation
       IEEE-488.2: Standard Codes, Formats, Protocols, and Common
        Commands for Use With IEEE-488.1
       Press release on IEEE 488.1-2003, which allows for higher
        speeds                                                    23
    Komunikační rozhraní: IEEE-488
   Konec 60. let 20. století – Hewlett-Packard pro řízení
    multimetrů a analyzátorů
   1975 – převzato IEEE a standardizováno jako IEEE-
    488.1(-1975)
       Definuje pouze fyzickou vrstvu
   1987 – IEEE-488.2 – definuje obecné příkazy, formát
    komunikace a protokol, aplikačně závislé příkazy, datové
    struktury atd.
       Definuje ovšem pouze formát příkazů
       Začátek 90. let – pokus o standardizaci – SCPI
       Příliš pozdě – SCPI nebyl všeobecně přijat
   2003 – IEEE-488.1-2003 – převzat HS-488 od firmy
    National Instruments
       High Speed – dovoluje přenosovou rychlost aţ 8MB/s
                                                             24
    Komunikační rozhraní: IEEE-488
   Na dobu vzniku dobře navrţené paralelní rozhraní
       8 datových vodičů – DIO1-DIO8
       3 handshake vodiče
            NRFD, DAV, NDAC – metoda patentovaná HP, 250$ za pouziti
       5 řídicích vodičů
            ATN, EOI, IFC, REN, SRQ
       8 zemních a stínicích vodičů
   Asynchronní, 8-bitové, paralelní rozhraní s hardwarovým
    řízením toku
   Negativní TTL signalizace
       Log. 0 = 2..5V
       Log. 1 = 0..0,8V
       Většina signálů aktivní v 0V (log. 1) pro moţnost snadné
        realizace technologického OR – SRQ, NRFD, DAV, NDAC

                                                                        25
Komunikační rozhraní: IEEE-488
bus line   description

DIO1–8     Data input/output bits. These 8 lines are used to read and write the 8 bits of a data or command byte
           that is being sent over the bus.

NRFD       Not ready for data. NRFD is a handshaking line asserted by listeners to indicate they are not ready to
           receive a new data byte.

 DAV       Data valid. This is a handshaking line, used to signal that the value being sent with DIO1-DIO8 is
           valid. During transfers the DIO1-DIO8 lines are set, then the DAV line is asserted after a delay called
           the 'T1 delay'. The T1 delay lets the data lines settle to stable values before they are read.

NDAC       Not data accepted. NDAC is a handshaking line asserted by listeners to indicate they have not yet
           read the byte contained on the DIO lines.

 ATN       Attention. ATN is asserted to indicate that the DIO lines contain a command byte (as opposed to a
           data byte). Also, it is asserted with EOI when conducting parallel polls.

 EOI       End-or-identify. This line is asserted with the last byte of data during a write, to indicate the end of the
           message. It can also be asserted along with the ATN line to conduct a parallel poll.

 IFC       Interface clear. The system controller can assert this line (it should be asserted for at least 100
           microseconds) to reset the bus and make itself controller-in-charge.

 REN       Remote enable. Asserted by the system controller, it enables devices to enter remote mode. When
           REN is asserted, a device will enter remote mode when it is addressed by the controller. When REN is
           false, all devices will immediately return to local mode.

 SRQ       Service request. Devices on the bus can assert this line to request service from the controller-in-
           charge. The controller can then poll the devices until it finds the device requesting service, and
           perform whatever action is necessary.                                                                     26
          Komunikační rozhraní: IEEE-488
         Řízení toku - handshaking
DIO1-8       Data byte                  Data byte


 DAV          valid
                           DIO1-8
                               valid
                          not valid
                                                      Data byte                  Data byte

NRFD               not ready
                                  DAV                  valid       not valid      valid
            All                        All
           ready                      ready


 NDAC not accepted               not accepted

                         All           All
                      accepted NRFD accepted                not ready
                                                     All                        All
                                                    ready                      ready


                                 NDAC not accepted                        not accepted

                                                                  All                       All
                                                                                                    27
                                                               accepted                  accepted
    Komunikační rozhraní: IEEE-488
   Standardizovaná kabeláţ
       24-vodičový kabel
            Speciální, vyţaduje 6 kroucených párů ([NRFD-GND], [DAV-GND],
             [NDAC-GND], [IFC-GND], [SRQ-GND], [ATN-GND]) + stínění
       Zajišťuje spolehlivost přenosu! (není kontrola)
       24-pinový nepřímý konektor Amphenol (zásuvka)
            Velmi odolná a tuhá konstrukce
            Stohovatelný (max. 4)
       Velmi drahá! ~1000 Kč




                                                                               28

                                                 http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_488
Komunikační rozhraní: IEEE-488




                                                               29

           http://tempest.das.ucdavis.edu/mmwave/multiplier/GPIB.html
    Komunikační rozhraní: IEEE-488
   Zařízením jsou přiřazeny role
       Controller – řídí komunikaci na sběrnici, více – předávání řízení
       Talker – vysílá data
       Listener – naslouchá datům
       Obvykle zařízení plní více funkcí


   Specifické funkce
       Serial Request – zpracování asynchronních událostí (SRQ)
       Parallel Pool – zpracování asynchronních událostí (ATN, EOI) –
        rychlejší, pouze 8 zařízení (DIO1-8)
       Adresace – datové vodiče
       Řídicí příkazy sběrnice (ATN)

                                                                              30

                                 http://www.fysik.uu.se/kurser/fy660/compendium/GPIB/
    Komunikační rozhraní: IEEE-488
   Doba odezvy
       Minimálně 2 μs
       Typicky (reţie systému a aplikace) – 1 ms
       Speciální aplikace – 10-100 μs


   Shrnutí
       Plně definovaný standard
       Zaručovaná kompatibilita
       Podpora ze strany měřících systémů
       Výhradně laboratoře, ale mnoho typů periferií
       Cenově nákladné
       Jednotná kabeláţ

                                                        31
IEEE-1284
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   Kancelářské
   Napěťový přenos, úrovně TTL
   Asynchronní, paralelní, 8 bitů
   Podle typu 2 - 254 zařízení
   Rychlost dle typu 50kB/s - 4MB/s
   Krátká doba odezvy  1s
   Lokální
        Specifikovaná elektrická délka max. 15m
   Definována pouze fyzická vrstva + rozšíření
    hardwarového řízení v řadiči sběrnice
   Jinak také „paralelní port PC“

                                                   33
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   Dokumenty specifikující IEEE-1284
        IEEE 1284-1994: Standard Signaling Method for a Bi-directional Parallel
         Peripheral Interface for Personal Computers
        IEEE 1284.1-1997: Transport Independent Printer/System Interface- a protocol
         for returning printer configuration and status
        IEEE 1284.2: Standard for Test, Measurement and Conformance to IEEE 1284
         (not approved)
        IEEE 1284.3-2000: Interface and Protocol Extensions to IEEE 1284-Compliant
         Peripherals and Host Adapters- a protocol to allow sharing of the parallel port by
         multiple peripherals (daisy chaining)
        IEEE 1284.4-2000: Data Delivery and Logical Channels for IEEE 1284
         Interfaces- allows a device to carry on multiple, concurrent exchanges of data

   Různé reţimy přenosu a modifikace hardwaru řadiče, resp. interfacových
    obvodů
        SPP Compatibility – standardní hardware
        Nibble mode – standardní hardware
        Byte mode – bidirectional port
        EPP mode – Enhanced Parallel Port
        ECP mode – Extended Capabilities Port
   SPP/EPP/ECP pouţívá různé typy kabelů                                                 34
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   Teoretické maximální rychlosti přenosu
   Závislé na hardwaru a rychlosti hostitelského počítače
   Vypočteny z údajů o minimálních dobách pulsu (500ns) a strmosti
    hran (50ns) (ideální případ, kabel 16pF/ft, 10m→526pF→>50mA)
   Obvykle aţ 10x niţší (vyjma EPP, ECP)

          Transfer mode        Distance [m]          Speed [B/s]
                                               [1]
                          (AB cable)/(CC-cable)
          Compatibility            2/10              360360(283687)

          Nibble                   2/10              3174603(166667)

          Byte                     2/10              1369863(331125)

          EPP                      2/10                3333333(,)3

          ECP                      2/10                 2500000

                                                                             35

                                              http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE-1284
Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   EPP, ECP reţim
     Přidává hardwarový handshaking
     Adresovací moţnosti
     Zvýšení rychlosti přenosu na >1MB/s
     Více periferií
     Sloţitější logika periferie – vyţaduje EPP/ECP
      interface chip


                                                   36
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   Standardní handshake




                                                    37

                           http://www.fapo.com/1284int.htm
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   Nibble handshake




                                                  38

                         http://www.fapo.com/1284int.htm
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   Byte-mode handshake




                                                   39

                          http://www.fapo.com/1284int.htm
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   EPP-mode handshake




                                                  40

                         http://www.fapo.com/1284int.htm
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   ECP-mode handshake




                                      41
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   EPP signály
                                           IN/OU
       Pin   SPP Signal      EPP Signal                                         Function
                                             T
        1      Strobe           Write       Out     A low on this line indicates a Write, High indicates a Read
       2-9    Data 0-7        Data 0-7     In-Out   Data Bus. Bi-directional
        10       Ack          Interrupt      In     Interrupt Line. Interrupt occurs on Positive (Rising) Edge.
                                                    Used for handshaking. A EPP cycle can be started when low,
        11       Busy           Wait         In
                                                    and finished when high.
             Paper Out /
        12                     Spare         In     Spare - Not Used in EPP Handshake
                 End
        13      Select         Spare         In     Spare - Not Used in EPP Handshake
                 Auto
        14                   Data Strobe    Out     When Low, indicates Data transfer
              Linefeed
        15   Error / Fault     Spare         In     Spare - Note used in EPP Handshake
        16     Initialize      Reset        Out     Reset - Active Low
                Select        Address
        17                                  Out     When low, indicates Address transfer
                Printer        Strobe
       18-
               Ground          Ground      GND      Ground
       25
                                                                                                                  42
    Komunikační rozhraní: IEEE-1284
   Doba odezvy
        Minimálně 1 μs
        Typicky (reţie systému a aplikace) – 100 μs
        Speciální aplikace – 1-100 μs


   Shrnutí
        Nedefinuje protokoly, pouze hardware
        Zaručovaná kompatibilita
        Podpora ze strany operačních systémů
        Prakticky nasazeno pouze v kancelářských oblastech, mnoho
         typů periferií
        Levné
        Vytlačeno USB
                                                                     43
IEEE-1394
    Komunikační rozhraní: IEEE-1394
   Vytvořeno jako kancelářské, průnik do laboratoří
   Lokální
        1394(a) – max. 72 m (16x4,5m)
        Další varianty aţ 100m přes UTP CAT. 5
   Napěťový diferenciální přenos
   Aţ 63 zařízení, peer-to-peer
        Spojení PTP
        Kaţdé zařízení má nejméně dva porty
        Stromově řetězcová struktura
        IEEE-1394.1 – bridge – celkem aţ 63426 zařízení 
   1995 Apple – „FireWire“
        Standardizováno: IEEE 1394-1995
        Doplněno IEEE 1394a-2000
        Rozšíření IEEE 1394b-2002
   Licencováno korporaci Apple, Sony a spol. 0,25$ za zařízení
   Sony „i.Link“ – vlastní varianta konektorů
        Pouze 4 vodiče (bez napájení)

                                                                  45
    Komunikační rozhraní: IEEE-1394
   IEEE-1394-1995 zastaralé
        Rychlosti S100 (98,304Mb/s), S200 (196,608Mb/s) a S400 (393,216 Mb/s)
   IEEE-1394a-2000
        Zlepšení efektvity
        Další příkazy k řízení sběrnice
   IEEE-1394b-2002
        Aţ 100m spoj přes UTP kabel při S100
        8B10B signalizace
        S800 aţ S3200 (2516,58 Mb/s = 314MB/s)
   IEEE-p1394c
        Gigabit Ethernet + FW S800 na jednom STP kabelu
   Další specifikace
        DV – Digital Video (MPEG2, RAW), komerční zaměření
        IIDC – Uncompressed camera for machine vision
        IICP – IEEE-488 over 1394 for instrumentation
        IEEE1394AP – For industrial real-time controll
        IDB-1394, AMI-C – automobilové specifikace
   Specifikace, standardizaci a licencování zajišťuje „1394a Trade Association“
        http://www.1394ta.org/index.shtml


                                                                                   46
Komunikační rozhraní: IEEE-1394
   Kabeláţ

       6 vodičů
       2 kroucené páry + 2 silové




       Silové vodiče – 40V & 1,5A
            Max. 51W, typ. lze max. 7-8W
       Délka kabelu 1394(a) – max. 4,5m                                  47

                                            http://www.skipstone.com/compcon.html
Komunikační rozhraní: IEEE-1394
   Signalizace
       1394(a) – Data/Strobe




       1394b – 8b/10b kódování
         5  spodních bitů na 6 bitů
          3 horní na 4 bity
          Spojení 8 bitů → 10 bit symbol
          Bez ss. sloţky (DC balanced, DC-free)
                                                                      48

                                            http://en.wikipedia.org/wiki/8B10B
    Komunikační rozhraní: IEEE-1394
   Formát přenosu
        Synchronní aplikace
             Stálý tok dat
             Video, audio, záznamové systémy (monitoring procesů)
             Real-time aplikace
        Asynchronní aplikace
             Blokové datové přenosy, kontrolní zprávy
        Peer-to-peer periferie
             Přenos bez interakce hostitelského PC (multi-host)
             Kamera-disk
             Protokol vybere nejlepšího kandidáta na řízení přenosu




                                                                       49
    Komunikační rozhraní: IEEE-1394
   Doba odezvy
        Minimálně 250 μs
        Typicky (reţie systému a aplikace)
         – 100 ms
        Velká reţie operačního systému

   Shrnutí
        Definuje protokoly, hardware
        Pouze spodní 3 vrstvy ISO
         modelu
        Zaručovaná kompatibilita
        Velká propustnost, podpora
         izosynhronních přenosů
        Podpora ze strany operačních
         systémů
        Rozšiřuje se z A/V aplikaci do
         průmyslu, letectví, military aplikaci
        Konkurent&doplněk USB
        Inteligentní periferie

                                                                               50

                                                 http://www.skipstone.com/compcon.html
USB
         Komunikační rozhraní: USB
   Vytvořeno jako kancelářské, průnik do laboratoří a průmyslu
   Více verzí (modernizace, zrychlování, lepší protokoly, vyšší dosah)
        USB 0.9, 1.0, 1.1 – Low&Full speed, max. 1,5 (resp. 12) Mb/s
        USB 2.0 – Hi-speed, max. 480 Mb/s
   Lokální
        Full&Hi-speed max. 5m kabel, Low-speed 3m
        Max. 30m (dovolen 5x USB HUB), Low-speed max. 27m
   Napěťový diferenciální přenos
   Aţ 127 zařízení (7 bit. adresa), Master-slave
        Spojení PTP
        Stromová struktura, HUBy
   1994 USB 0.7
   1996 USB 1.0
   1998 USB 1.1 – oprava chyb v USB 1.0, nejvíc rozšířené
   2000 Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC, Philips
        Reakce na původní licenční politiku Apple (vývojář IEEE-1394, musel platit poplatky)
        Snaha konkurovat IEEE-1394a, povedlo
   2001 USB OTG
        USB On-The-Go – chování zařízení jako host i periferie (PDA s USB Masstorage, PDA s
         PC)
   Levné, Hot-Swap                                                                             52
     Komunikační rozhraní: USB
   Kabeláţ
       Jeden kroucený pár D+, D-
            Max. kapacita 1070pF
       Silové vodiče VCC, GND
            VCC v rozmezí 4,65V – 5,25V @ 500mA
            Z jednoho portu lze odebírat nejvýše 2,5W
       Low-speed
            „Nekvalitní“ kabeláţ, max. 3m          Pin Num.    Cable Colour       Function
       Full&Hi-speed                                    1           Red            VBUS (5
            Stejná specifikace, max. 5m                                             volts)
                                                         2          White             D-

   USB 2.0                                              3          Green             D+
       Definice konektorů Mini-A, Mini-B                4          Black          Ground
       2007 – Micro-USB konektor (včetně okolí
        cca. 6x2mm)


                                                                                           53

                                                  http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb2.htm
     Komunikační rozhraní: USB
   Signalizace
       Half-duplex, NRZI, bit-stuffing
            Podobné RS-485 (NRZ)
            Low&Full-Speed (inverze)
                  Napěťová, diferenciální (D+-D-)
                  Log. J. = 2,8-3,6 V
                  Log. K. = 0-0,3 V
            Hi-Speed
                  Proudová (D+,D-), 17,78mA
                  Term. 45Ω→Log. 1. → D+ ≈ 400 mV
                  Log. 0. → D- ≈ 400 mV
       Přijímač vţdy vyhodnocuje stavy
            (D+-D-) > 200 mV → Log. J.
            (D+-D-) > 200 mV → Log. K.


                                                                                           54

                                http://www.nxp.com/acrobat_download/applicationnotes/AN10035_1.pdf
     Komunikační rozhraní: USB
   4 typy přenosů
       Control Transfers
            Řídicí a stavové informace
            Konstantní délky datových paketů (8,16,32,64B)
       Interrupt Transfers
            „Asynchronní“ události
            Zaručená latence (doba doručení)
            Sběrnice MASTER-SLAVE→PC se periodicky dotazuje…
            Omezená max. velikost přenášených dat (LS:8B, HS:1024)
       Isochronous Transfers
            Ustálené periodické přenosy, „trvalý“ tok dat
            Např. audio/video - MPEG1 150kB/s
            Neopakuje přenos paketu po chybě → „netrhá se video“
       Bulk Transfers
            Klasické asynchronní objemové přenosy
            Vyuţívá volnou kapacitu po předchozích typech přenosů
   Interrupt+Isochronous max. 90% kapacity kanálu
                                                                      55
     Komunikační rozhraní: USB
                                          Sync    PID   ADDR      ENDP    CRC5   EOP
                                          8(32)    4      7         4       5     3

   Doba odezvy                           Sync    PID       Data         CRC16   EOP
       Master-slave komunikace           8(32)    4     8-64(8192)        16     4


            Výzva na akci, výzva na      Sync    PID   EOP

             odpověď, výzva na konec      8(32)    4     4


             přenosu                      Sync    PID   ADDR      ENDP    CRC5   EOP
            Teoreticky 9 USB framů       8(32)    4      7         4       5     3


       Low&Full 253 bitů                 Sync    PID       Data         CRC16   EOP
                                          8(32)    4     8-64(8192)        16     4
            Teoreticky 2,1 μs + 9x70ns
                                          Sync    PID   EOP
            Prakticky jednotky ms        8(32)    4     4

       Hi-speed – 397 bitů               Sync    PID   ADDR      ENDP    CRC5   EOP
                                          8(32)    4      7         4       5     3
            Teoreticky 82 ns + 9x70ns
            Prakticky cca. 200 μs        Sync    PID      Data          CRC16   EOP
                                          8(32)    4        0              16     4


                                          Sync    PID   EOP
                                          8(32)    4     4
                                                                                       56
         Komunikační rozhraní: USB
   Shrnutí
        Levné, dnes snadná implementace
             μproc., převodníky rozhraní – FTDI2xx, CZ210x apod., volné IP-cores pro FPGA,
              specializované endpointy
        Původně konkurence pro IEEE-1394a
             USB 2.0 srovnatelný výkon (USB asi o 20-30% niţší)
             Podstatně levnější, bez licenčních poplatků
             IEEE-1394b(c) – rychlejší, větší dosah
             Dnes doplňkem
        Specifikuje HW i příslušné protokoly
        Silná podpora ze strany OS
             Programování bez podpory OS velmi zdlouhavé
        Moderní trendy
             Hi-speed USB OTG
             Wireless USB (WUSB) – bezdrátové spojení periferií, aţ 480Mb/s!
   Zajímavé odkazy
        http://www.usb.org/home
        http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/


                                                                                              57
         Komunikační rozhraní: PCI
   'Peripheral Component Interface'
   Mezikomponentní sběrnice, později rozšiřující pro zásuvné desky
   Synchronní paralelní přenos
        32/64 bitů, 33/66 MHz
        Adresa/Data časově multiplexovány na 32(64) vodičích
   PCI 1.0 – Intel, 1990
   PCI 2.0 – 1993 „první uţitečná“
        Specifikovala konektory na základní desce
   Poslední standard PCI 3.0
        Zejména zákaz 5V karet
   Velké mnoţství variant
   Standardizace skupinou PCI-SIG
        http://www.pcisig.com/home
        licencováno


                                                                      58
        Komunikační rozhraní: PCI
   Dosah
       Cca. 90cm
       Moţno prodlouţit PCI-PCI můstky na cca. 5m
   Kabeláţ
       Plošný spoj
       Konektory specifikované dle varianty
   Doba odezvy
       Řádově 1 μs
       Zpoţdění aplikace (driveru – přepnutí kontextů apod.)

                                                            59
         Komunikační rozhraní: PCI
   Aktuální varianty
   PCI 3.0
        Zcela zakázané pouţití 5V periferií
        Typicky 32b/33MHz → 132 MB/s
   PCI-X 1.0
        Výkonná verze PCI, IBM, HP, Compaq
        64b/133MHz → 1,06 GB/s
        Zpětná kompatibilita karet s PCI (PCI-X lze bodnout do slotu PCI)
   PCI-X 2.0
        Zrychlení na 266/533MHz → 2,1/4,3 GB/s
        Podpora PtP komunikace mezi kartami
        Zpětná kompatibilita karet s PCI a PCI-X 1.0
        Neujalo se 
   Mini PCI
        Pro notebooky a embeded zaříení (routery, access-pointy)
        Opět různé varianty IA, IB, IIA, IIB, IIIA, IIIB (rozměry karet)
                                                                                         60

                                           http://www.interfacebus.com/Design_Connector_PCI.html
        Komunikační rozhraní: PCI
   Compact PCI
       PCI ve formě eurokaret pro VME systémy velikosti 3U/6U
       2mm konektory
   CardBus
       PCI ve formátu PCMCIA – zpětně nekompatibilní!
   PC104-Plus
       Doplnění PCI signálů na desky PC104. Souţití PCI a ISA sběrnice
   PCI104
       Čistě PCI varianta systému rozměru PC104
   PXI
       Compact PCI pro automatizaci a měření
       Táhnuté především fy National Instruments
       Dobrá kompatibilita s OS (stejný hardware jako notebooky)
       V poslední době rozšířeno o linky PCI-Express (aţ 3,2GB/s)
   IPCI
       Industrial PCI - konkurent PXI
                                                                          61
        Komunikační rozhraní: PCI
   Shrnutí
       Mezikomponentní a rozšiřující sběrnice
       V minulých 12 letech prakticky průmyslový standard
       Díky nástupu PCI-Express začíná mizet (sloţitější
        PCB, pomalé)
       V průmyslu a měřicí technice se uchycuje, moţná
        vydrţí ještě několik let (PXI systémy)
       Rychlé rozhranní, dobře zvládnuté a dokumentované
       K dispozici PCI-Local Bus můstky, snadný vývoj
       Zdarma IP cores pro FPGA

                                                             62
PCI-Express
           Komunikační rozhraní: PCIe

   ‘PCI-Express’
   Softwarově kompatibilní s PCI
   Mezikomponentní sběrnice, rozšiřující pro
    zásuvné desky
   Sériový, synchronní přenos
   2004 standardizován PCIe 1.0
       „Aktuální“ verze PCIe 1.1
   2007 PCIe 2.0
       Vyšší rychlosti
                                                64
         Komunikační rozhraní: PCIe
   Kabeláţ
       Plošný spoj
       Optimalizováno pro 4-vrstvý FR4
            Výrobci základních desek
            Maximálně 51cm, záleţí na počtu
             prokovů
       Dva diferenciální páry
            Jmenovitá impedance 100Ω±15%
            Délka vodičů v páru musí souhlasit
             na 0,13mm
            Délka párů nemusí být shodná
   Konektory
       Podle počtu sdruţených kanálů
       36 – 164 pin, 1mm rozteč



                                                                                         65

                                   http://www.interfacebus.com/Design_Connector_PCI_Express.html
        Komunikační rozhraní: PCIe
   Signalizace
       Dva LVDS páry
            ±125mV rozhodovací úrovně
       = jeden kanál s 2,5Gbit/s signalizací
            8B/10B kódování → 250MB/s (resp. 238MiB/s)
       Sdruţování kanálů
            Protokol dovoluje aţ 32x – není konektor (dva x16 konektory)
            Obvykle max. 16x – 40 Gbit/s → 4GB/s
       Full-duplex
            Sdruţená rychlost (oba směry) 80Gbit/s
       PCIe 2.0
            5 Gbit/s na kanál
            Pokrok v polovodičové technice - dovoluje ve spec. případech 10m
             link při 2,5Gbit/s!
   Xilinx demonstruje spolehlivý spoj 15m!
                                                                                66
Napěťové úrovně sběrnic




                          67
        Komunikační rozhraní: PCIe
   Shrnutí
       Mezikomponentní a rozšiřující sběrnice
       Poměrně mladá (2004), velký záběr
       Jednodušší a levnější plošný spoj neţ PCI (36pin!)
       Prorůstá do průmyslu – integrace do PXI backplane
       PtP přenosy, není přímo dedikovaný master – výhodné pro
        inteligentní systémy (např. frame graber-videokarta)
       Objevují se volné IP cores pro FPGA + přímá integrace hardcore
        v FPGA – snadná stavba perifere
       PCIe 2.0 – kabelový link aţ 10m → v lokálních aplikacích
        konkurence pro specializované sítě (Infiniband, Mirinet, 10G
        Ethernet…)
   Díky snadné HW implementaci velmi kladně přijata

                                                                     68
Multifunkční karty
                 Multifunkční karty
   Sada periferií připojená k lokální sběrnici systému (ISA,
    PCI, PCIe, PXI, VME/VXI, PC104, PCI104, CardBus)
   Formát zásuvné karty
   Alternativa k samostatným měřícím přístrojům
   Hlavním úkolem je převést analogový signál na číslicový
    a předat jej procesoru počítače
   Můţe plnit mnoho dalších funkcí
       Analogový výstup
       Číslicové vstupy/výstupy
       Čítače, časovače, obvody spouštění měření
       Řízení motorů, PWM generátory apod.
       FIFO, buffery

                                                            70
            Multifunkční karty
   Reprezentuje celý měřící řetězec




                                       71
                    Multifunkční karty
   Mnoha-kanálové
       S.E. Single Ended
            Všechny signály jsou vztaţeny k společnému referenčnímu potenciálu
             spojeného s nulovým potenciálem zařízení
       Pseudo-diferenciální
            Jako S.E., ale spol. referenční potenciál není spojen s nulovým
            Případně čistě S.E., ale s moţností provedení číslicového rozdílu dvou
             sousedních kanálů
       Diferenciální
            Kaţdý kanál má dva, od ostatních nezávislé, vstupy, vstupní hodnotou je
             napěťová diference mezi vstupy
            Lepší karty mají např. 16 S.E. vstupů zapojitelných jako 8 diferenciálních
   Speciální struktura ADC obvodů
       Typicky MUX+S/H+ADC – prosté přepínání vstupů
       Lepší karty: násobný S/H (simultaneous sampling)+MUX+ADC
       Zajištění naprosté (dlouhodobé) shodnosti všech vstupních kanálů
       Cena

                                                                                          72
Multifunkční karty

          Sample
 MUX               ADC
           /Hold




 Sample            ADC
            MUX
  /Hold




                         73
                     Multifunkční karty
   Portfolio nabízených karet
       6-10 bitů
            Digitizéry, video aplikace, spec. aplikace
            100MS/s – 1GS/s
       12-16 bitů
            Běţné multifunkční karty
                  8-32 multiplexovaných kanálů
                  50kS/s-1MS/s
            Digitizéry
                  2 nemultiplexované kanály @ 10-100MS/s
       18-24 bitů
            Karty pro sledování technologických procesů (termočlánky,
             tenzometry, vodivost roztoků, PH apod.)
                  8-32 multiplexovaných kanálů
                  1S/s-10kS/s
            Digitizéry – precizní měření
                  1-4 nemultiplexované kanály aţ 10MS/s
                                                                         74
              Multifunkční karty
   Levné měřící karty




                                   75
                   Multifunkční karty
   Levné měřící karty
       Nejlevnější pouze ADC+DIO
       V některých případech i DAC
       Bez vyrovnávacích pamětí a řadiče
            Kartu řídí procesor hostitelského PC
       Ţádný nebo jednoduchý časovač
       Vhodné pro malé rychlosti vzorkování
            102 S/s
            Zátěţ procesoru
            Běţný OS nezaručuje či nedovoluje obsluhu v ms intervalech –
             problém neekvidistantnosti vzorků
            Real-Time OS (RTOS, QNX, Linux+RTAI), realtime běţící proces
             (mimo OS, např. Windows+realtime kernel), jednoúlohový OS (např.
             DOS) – aţ 104 S/s
       Často nekvalitní ADC, analogové obvody (šum)
       <7000 Kč
                                                                           76
               Multifunkční karty
   Schéma sloţitější měřící karty




                                     77
                     Multifunkční karty
   Sloţitější měřící karty
        Typicky ADC, DAC, DIO, čítač/časovač
        ADC ukládá data do bufferu (řádově kB), resp. FIFO (dle výrobce)
        DACu je předřazen buffer, někdy s moţností cyklického výběru,
         případně FIFO
        Karta obsahuje vlastní kontrolér
             Řízení bufferů, časování operací, zvládá periodické operace
             Spec. karty – řízení procesů, motorů (AS, BLDC, krokové)
        Čítač/časovač umoţňuje i komplikované sekvence
             Např. periodický burst
             PWM generátory
        Vhodné pro plné rychlosti vzorkování (moţnosti ADC a S/H obvodů)
             102 kS/s
             Nízká zátěţ procesoru
             Časování vzorkování je zajištěno HW karty – zaručená ekvidistnatnost
             Pouţití i s ne-realtime systémy. Musí zajistit včasnou obsluhu bufferů (10ms)
        Draţší, kvalitnější HW
        >7000 Kč <40000 Kč
                                                                                         78
             Multifunkční karty
   Vysokorychlostní karty




                                  79
                      Multifunkční karty
   Vysokorychlostní karty (High-speed digitizers, oscilloscopes)
        Výbava podobná sloţitějším multifunkčním kartám
        Separované ADC
             10 - 1000 MS/s
             8 - 24 bit
             Separátní buffery (aţ 102 MB)
        Vysokorychlostní DAC
        Spouštěcí vstupy a výstupy – synchronizace s externími událostmi
        Karta obsahuje vlastní kontrolér, resp. počítač
             Sloţité operace, synchronizace na ns
             Real-time zpracování signálů – DSP, FPGA
             Hostitelskému PC pouze předává výsledky
        Zejména pro rychlé periodické děje nebo ojedinělé události
        Velmi drahé, kvalitní HW
             Signal conditioning – antialiasing filtry, přizpůsobení, programovatelná
              filtrace
        Např. PCI-5142: 2 kanály, 14bit@100MS/s → 300000 Kč

                                                                                         80

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Stats:
views:8
posted:3/26/2011
language:Czech
pages:80