interfețe serialeusers.utcluj.ro/~baruch/media/scd/curs/scd-interfete-2.pdf · prezentare...

Interfețe seriale

•RS-232

•RS-422

•RS-485

•I2C

•SPI

•USB

•CANSisteme de calcul dedicate (03-2) 01.11.2019 1

I2C

Prezentare generală

Condiții de start și de stop

Validitatea datelor

Transferuri pe magistrală

Versiuni

Exemplu de interfață

Sisteme de calcul dedicate (03-2) 01.11.2019 2

Prezentare generală (1)

•I2C (Inter-Integrated Circuits) - Philips

•Magistrală bidirecțională cu două linii:Date seriale SDA (Serial Data)

Ceas serial SCL (Serial Clock)

01.11.2019 Sisteme de calcul dedicate (03-2) 3

Prezentare generală (2)

•Un dispozitiv conectat la magistrala I2C poate funcționa ca:Receptor

Transmițător și receptor

•Fiecare dispozitiv are o adresă unică

•Transmițătoarele și receptoarele pot funcționa în modul master sau în modul slave

•Pot exista mai multe dispozitive masterProcedură de arbitraj


I2C



Validitatea datelor


Versiuni




•Condiție de start: Tranziție 1 0 a liniei SDA, SCL = 1 logic•Condiție de stop: Tranziție 0 1 a liniei SDA, SCL = 1 logic


I2C



Validitatea datelor


Versiuni



Validitatea datelor

•Datele de pe linia SDA trebuie să fie stabile în timp ce SCL = 1 logic

•Datele se pot schimba numai atunci când SCL = 0 logic


I2C



Validitatea datelor


Versiuni



Transferuri pe magistrală (1)

•Categorii de informații transmise pe magistrală:Condiție de start

Adresa dispozitivului slave (7 sau 10 biți)

Bit de citire/scriere

Biți de date (segmente de câte 8 biți)

Bit de confirmare (după fiecare segment de date)

Condiție de stopSisteme de calcul dedicate (03-2) 01.11.2019 10


•Exemplu de transferNumărul de octeți din cadrul unui transfer nu

este limitatReceptorul poate forța transmițătorul într-o

stare de așteptare



•Trei formate pentru transferuri de date:Scriere date de la un transmițător master la un receptor slaveCitire date de către un dispozitiv masterTransferuri de citire și scriere multiple

•Adresa și direcția datelor sunt codificate în primul octet după condiția de startBit c.m.p.s. = 0: scriere date de la masterBit c.m.p.s. = 1: citire date de la slave


I2C



Validitatea datelor


Versiuni



Versiuni (1)

•Magistrala I2C originalăRata de transfer maximă de 100 Kbiți/s

Adrese de 7 biți

•Versiunea 2.0 Mod de transfer rapid (Fast-mode), max. 400 Kbiți/s

Adrese de 10 biți

Posibilitatea conectării la magistrală a dispozitivelor cu adrese de 7 sau 10 biți


Versiuni (2)

•Versiunea 2.1Deplasarea nivelelor de tensiune (Level-shifting) pentru conectarea dispozitivelor cu tensiuni de alimentare diferite

Specificații extinse pentru dispozitive cu tensiunea sub 2,7 V

Mod de transfer de viteză ridicată (High-speed) → maxim 3,4 Mbiți/s


I2C



Validitatea datelor


Versiuni



Exemplu de interfață (1)

•Conectarea unui ceas de timp real (RTC) Philips PCF8583Memorie RAM de 240 octeți Pinii OSCI și OSCO pentru conectarea unui oscilator cu cuarț de 32,768 KHz Pin de adresă A0 •GND: adresa este 0x50 •VDD: adresa este 0x51

Funcție de alarmă foloseşte pinul INT# pentru întreruperea procesorului


Interfețe seriale

•RS-232

•RS-422

•RS-485

•I2C

•SPI

•USB


SPI


Semnalele interfeței

Funcționarea

Avantaje și dezavantaje

Comparație cu interfaţa I2C

Aplicații




•SPI (Serial Peripheral Interface)Elaborată de firma Motorola și adoptată de numeroși producători

Interfață serială sincronă

Comunicație duplex•Patru linii de comunicație

Mod de comunicație master/slave•Se pot conecta mai multe dispozitive slave

Datele sunt transferate în ambele direcții


SPI



Funcționarea


Comparație cu interfața I2C

Aplicații



Semnalele interfeței (1)

•Patru semnale:SCLK (Serial Clock)

MOSI (Master Output, Slave Input)

MISO (Master Input, Slave Output)

nSS (Slave Select)•Configurație cu un singur dispozitiv slave



•Configurație cu trei dispozitive slave



•Configurație cu trei dispozitive slave conectate în lanț



•Nume alternative pentru semnale:SCLK → SCK

MOSI → SDI (Serial Data In), DI, SI

MISO → SDO (Serial Data Out), DO, SO

nSS → nCS, CS, STE (Slave Transmit Enable)

•SDI/SDO: semnalul SDO de la dispozitivul master conectat cu semnalul SDI de la dispozitivul slave


SPI



Funcționarea



Aplicații



Funcționarea (1)

•Transmisia datelorConfigurarea frecvenței semnalului de ceas (1 .. 70 MHz)

Selectarea dispozitivului slave

Opțional: timp de așteptare (de exemplu, pentru conversia analog-digitală)

Cicluri de ceas pentru transmisie duplex:•M → linia MOSI → S

•S → linia MISO → M


Funcționarea (2)

Se utilizează două registre de deplasareDe obicei, primul bit este c.m.s.Durata: orice număr de cicluri de ceasDimensiunea cuvintelor depinde de aplicație


Funcționarea (3)

•Polaritatea și faza ceasuluiPolaritatea (CPOL): determină valoarea de bază (inițială) a semnalului de ceas (0, 1)

Faza (CPHA): determină frontul pe care sunt citite și modificate datele

CPOL = 0•CPHA = 0: citirea pe frontul crescător, modificarea

pe frontul descrescător

•CPHA = 1: citirea pe frontul descrescător, modificarea pe frontul crescător


Funcționarea (4)


Funcționarea (5)

•ModuriMod: combinația dintre polaritatea (CPOL) și faza (CPHA) ceasuluiSe utilizează convenția următoare:

Mod CPOL CPHA

0 0 0

1 0 1

2 1 0

3 1 1


SPI



Funcționarea



Aplicații




•AvantajeComunicație duplexViteză de transfer ridicatăInterfață hardware simplă

•DezavantajeLipsa unui control al fluxului de dateLipsa confirmării de la dispozitivul slaveLipsa standardizării → diferite varianteDificultatea realizării sistemelor multi-master


SPI



Funcționarea



Aplicații




•SPI este mai avantajoasă pentru transmiterea unor șiruri de date (DSP, convertoare)

•SPI are rate de transfer mai ridicate decât I2C•SPI este mai eficientă pentru aplicații care necesită comunicație duplex (codec DSP)

•SPI nu permite adresarea dispozitivelor

I2C este mai avantajoasă pentru sisteme cu mai multe dispozitive slave

SPI este mai avantajoasă pentru sisteme cu un singur master și un singur slave


SPI



Funcționarea



Aplicații



Aplicații

•Comunicația cu diferite periferice și controlereConvertoare (CNA, CAN)Memorii (EEPROM, flash)Ceasuri de timp realAfișaje cu cristale lichideCartele MMC sau SDSenzori (temperatură, presiune)Controlere UART, CAN, USB, DSP, audio


SPI



Funcționarea



Aplicații




•Conectarea unei memorii nevolatile flashAtmel AT45DB161Capacitate de 2 MB

Pagini de câte 528 B

Două buffere de câte 528 B

Pentru scrierea în memorie, datele trebuie transferate mai întâi într-unul din buffere

Comenzi pentru scrierea bufferelor în memorie și transferul unei pagini într-un buffer

1000 de cicluri de scriere pentru fiecare pagină



•Tensiunea de alimentare: 2,5 V .. 3,6 V

•Intrări tolerante la 5 V

•WP# – Write Protect

•Pin de stare RDY/BUSY#01.11.2019 Sisteme de calcul dedicate (03-2) 41

Interfețe seriale

•RS-232

•RS-422

•RS-485

•I2C

•SPI

•USB


USB

Introducere

Caracteristici

Topologia magistralei

Versiuni USB

Cabluri și conectori

Interfața electrică

Tipuri de transfer



Introducere

•USB – Universal Serial Bus

•Dezvoltată în 1995 de un grup de firme: HP, Compaq, Intel, Lucent, Microsoft, NEC, Philips

•USB Implementers Forum (www.usb.org)

•Motivații:Simplificarea conexiunilor cu perifericele

Asigurarea unor rate de transfer ridicate

Ușurința utilizării (“Plug and Play”)

Eliminarea restricțiilor datorate resurselor hardware insuficiente


http://www.usb.org/

USB

Introducere

Caracteristici


Versiuni USB



Tipuri de transfer



Caracteristici

•Detectează adăugarea unui nou periferic

•Determină resursele necesare perifericului

•Adăugarea și eliminarea unui periferic se pot realiza fără oprirea calculatorului

•Este posibilă o conexiune de tip arbore, cu până la 127 de periferice

•Perifericele se pot alimenta cu +5 V prin cablu

•Arhitectură master/slave (gazdă/dispozitiv): transferuri de date inițiate de master


USB

Introducere

Caracteristici


Versiuni USB



Tipuri de transfer



Topologia magistralei (1)

•Distribuitoare (“hub”)

•Funcții (dispozitive)



•Distribuitoare USB

Recunosc conectarea dinamică a unui periferic

Asigură o putere de cel puţin 0,5 W pentru fiecare periferic în timpul inițializării

Pot asigura o putere de până la 2,5 W, 4,5 W sau 9 W pentru funcționarea perifericelor

Fiecare distribuitor constă din:•Repetor: comutator

•Controler: registre de interfață pentru comunicația cu calculatorul



•Port pentru calculatorul gazdă

•Porturi pentru funcții

•Conectare în cascadă până la 5 nivele01.11.2019 Sisteme de calcul dedicate (03-2) 50


•Funcții USBPeriferice USB care pot transmite sau recepționa date sau informații de controlUn periferic poate conține funcții multipleTrebuie să răspundă la cererile de tranzacție transmise de calculatorConțin informații de configurație care descriu posibilitățile lor și resursele necesareConfigurarea funcției: alocarea unei lățimi de bandă și selectarea opțiunilor de configurație


USB

Introducere

Caracteristici


Versiuni USB



Tipuri de transfer



Versiuni USB (1)

•Versiunea 1.0 (1995): max. 12 Mbiți/s

•Versiunea 1.1 (1998): max. 12 Mbiți/sCanal cu viteză redusă (1,5 Mbiți/s)

•Versiunea 2.0 (2000)Rata de transfer maximă a crescut de 40 de ori,

la 480 Mbiți/s (High-Speed)Utilizează aceleași cabluri, conectori și interfețe

softwarePermite utilizarea a noi tipuri de periferice:

camere video, scanere, imprimanteComunicație semi-duplex


Versiuni USB (2)

•USB On-The-Go (USB OTG) Supliment la specificațiile USB 2.0

Un dispozitiv poate avea rolul de master sau rolul de slave (gazdă, periferic)•Protocol pentru inversarea rolurilor

Două dispozitive pot comunica între ele fără intermediul unui calculator•Tabletă imprimantă

•Imprimantă aparat foto


Versiuni USB (3)

•Versiunea 3.0 Specificații finalizate în 2008 de USB 3.0 Promoter Group

Mod SuperSpeed: 5 Gbiți/s

Două canale simplex diferențiale în plus față de canalul diferențial existent în total 8 fire

Tehnologia este similară cu PCI Express 2.0 codificare 8b/10b (500 MB/s)


Versiuni USB (4)

•Versiunea 3.1Specificații publicate în anul 2013

Mod de transfer "SuperSpeed USB 10 Gbps"

USB 3.1 Gen2: nume pentru marketing

Modul de codificare a fost schimbat de la 8b/10b la 128b/132b

Compatibilitate cu USB 3.0 și USB 2.0

Specificațiile USB Power Delivery indică trei nivele de putere furnizată: 10 W (5 V, 2 A); 60 W (12 V, 5 A); 100 W (20 V, 5 A)


Versiuni USB (5)

•Versiunea 3.2Specificații publicate în septembrie 2017

Mod de transfer "SuperSpeed+ USB 20 Gbps"•Două benzi de comunicație

•Utilizează liniile existente destinate reversibilității conectorului de tip C

Aceeași codificare 128b/132b

Compatibilitate cu USB 3.1, 3.0 și 2.0•USB 3.2 Gen 1x1 (5 Gbiți/s); USB 3.2 Gen 1x2 (10

Gbiți/s); USB 3.2 Gen 2x1 (10 Gbiți/s)Sisteme de calcul dedicate (03-2) 01.11.2019 57

USB

Introducere

Caracteristici


Versiuni USB



Tipuri de transfer



Cabluri și conectori (1)

• Semnale diferențiale pe liniile D+ și D-

• Tensiunea de alimentare pe linia VBUS

• Terminatori la fiecare capăt al cablului Asigură nivele de tensiune corecte pentru periferice Permit detectarea conectării și deconectării perifericelor Permit diferențierea între periferice rapide și lente



•Specificațiile USB originale definesc mufe și socluri de tip A și tip B

•Gazdă și distribuitor: soclu de tip A(dreptunghiular)

•Periferic: soclu de tip B(pătrat)

•În general, cablurile conțin numai mufe



•Conectorii de date din mufa de tip A sunt mai scurți comparativ cu conectorii de alimentare

•Anumite dispozitive funcționează într-un mod diferit atunci când conectorul este inserat parțial



•Conectori mini-USB și micro-USB pentru telefoane mobile, aparate foto

•Mini-USB: 7x3 mm; nu se utilizează pentru aparate noi

•Micro-USB: 7x1,5 mm



•Conectori USB OTGSocluri micro-AB

Permit conectarea unei mufe micro-A sau micro-B

Un pin ID: utilizat pentru a detecta tipul mufei inserate •Conectat la masă la micro-A, neconectat la micro-B

•Dacă este conectată o mufă A: rol de calculator gazdă furnizează tensiune de alimentare



•Conectori USB 3.0Conectori de tip A

•Compatibili cu conectorii USB 2.0 de tip A•Conțin 5 pini suplimentari

Conectori de tip B•Nu sunt compatibili cu conectorii USB 2.0•Conțin 5 pini suplimentari

Conectori micro-B•Un conector USB 2.0 micro-B •Un conector suplimentar•Utilizați la unități de discuri externe



•Conectori de tip CSpecificații elaborate în 2014 și actualizate în

2015, 2017

Se utilizează atât de calculatorul gazdă, cât și de dispozitive USB

Conțin 24 de pini, inclusiv doi pini pentru detecția orientării cablului reversibili

Dimensiuni: 8,4 x 2,6 mm

Curentul maxim: 1,5 A sau 3 A

Moduri alternative: HDMI; DVI; DisplayPort


USB

Introducere

Caracteristici


Versiuni USB



Tipuri de transfer




•Semnalul de ceas este codificat împreună cu datele

•Codificarea utilizată este NRZI (Non Return toZero Inverted)Biții de 1 și 0 sunt reprezentați prin tensiuni

opuse și alternante, fără revenire la tensiunea zero între biții codificați

•Biți suplimentari inserați (“bit stuffing”) pentru a asigura tranziții suficiente ale semnalelor transmise


USB

Introducere

Caracteristici


Versiuni USB



Tipuri de transfer



Tipuri de transfer (1)

•Transferuri de controlSe utilizează de driverele calculatorului pentru configurarea perifericelor

•Transferuri de date voluminoaseConstau din volume mari de dateSe utilizează pentru imprimante, scanere Fiabilitatea asigurată prin: cod detector de erori; reluarea transferurilor cu eroriRata de transfer poate varia



•Transferuri de întrerupereSe utilizează pentru date cu volum redus

Transferul datelor poate fi solicitat de un periferic în orice moment

Rata de transfer nu poate fi mai redusă decât cea specificată de periferic

Datele constau din notificarea unor evenimente, din caractere sau coordonate



•Transferuri izocroneisos – egal, uniform; chronos – timp

Izocron – cu durată egală; care apare la intervale egale

Se utilizează pentru datele generate în timp real, care trebuie furnizate cu rata cu care sunt recepționate

Trebuie respectată și întârzierea maximă cu care sunt furnizate datele



Furnizarea la timp a datelor este asigurată cu prețul unor pierderi potențiale în șirul de date

Porțiune dedicată a lățimii de bandă

Transferuri izocrone:•Furnizarea la timp a datelor

•Lipsa retransmiterii datelor eronate

Transferuri asincrone:•Furnizarea corectă a datelor

•Retransmiterea datelor eronate


USB

Introducere

Caracteristici


Versiuni USB



Tipuri de transfer

Exemplu de interfață USB


Exemplu de interfață USB (1)

•Circuitul USS820D (Agere Systems, preluat de LSI Corp.)Controler pentru periferice USB

Permite conectarea simplă la magistrala unui microcontroler sau procesor

Transferuri cu viteza de 12 Mbiți/s

Tensiune de alimentare de 3,3 V

Buffere de I/E tolerante la 5 V

Se poate utiliza un cristal extern de 12 MHz sau oscilatorul intern de 12 MHz



VDDA, VDDT, VDD0, VDD1: alimentare

VSST, VSSX, VSS0, VSS1, VSS2: masă

D0..D7: I/E de date

A0..A4: intrări de adrese

RDN, WRN: intrări de citire și scriere

IOCSN: intrare de selecție

IRQN: ieșire de întrerupere (polaritate programabilă)

DPLS (Data Plus), DMNS (Data Minus): semnale diferențiale pentru datele USB (D+, D-)•Se conectează prin rezistențe terminatoare de 24



DPPU (DPLS Pull-Up): furnizează tensiunea de alimentare pentru rezistența pinului DPLS simularea deconectării fizice a perifericului

DSA (Data Set Available): sunt disponibile date recepționate sau date pentru a fi transmise

USBR (USB Reset Detected): s-a detectat un eveniment de resetare USB

SOFN (Start of Frame): recepția unui marcaj SOF

SUSPN (Suspend): indică modul de suspendare

RWUPN (Remote Wake-Up): intrare pentru a comanda părăsirea modului de suspendare


interfețe serialeusers.utcluj.ro/~baruch/media/scd/curs/scd-interfete-2.pdf · prezentare...

Documents