Komunikační rozhraní

Sériové a paralelní, synchronní a asynchronní. Rozdělení podle rychlosti přenosu. Adresování a komunikace po rozhraní. Protokoly pro rozhraní. Rozhraní pro vývojové systémy JTAG, SPI, apod.

Komunikační rozhraní je část systému, která mu umožňuje vyměňovat si informace s jinými systémy. Je nutné, aby bylo rozhraní na obou stranách komunikace shodné (používalo stejný protokol).

Port vs sběrnice vs rozhraní

Tyto pojmy bývají často zaměňovány a pravdou je, že se jejich významy často překrývají. Nejsmysluplnější způsob, jak je rozlišit je patrně:

  • port
    • fyzická část zařízení, která slouží k propojení s jiným zařízením (obvykle pomocí vodiče)
    • jeho parametry jsou definovány standardem
  • sběrnice
    • komunikační systém, který slouží k přenosu dat mezi zařízeními
    • jeho zakončením je port
    • vlastnosti sběrnic definují protokoly
  • rozhraní
    • zastřešující pojem, který se používá pro označení obou předešlých samostatně i dohromady

Sériové a paralelní rozhraní

Význam:

  • sériový přenos znamená, že dochází k posílání bitů postupně, tedy jeden po druhém (obvykle po jednom vodiči)
  • paralelní přenos znamená, že dochází k současnému posílání více bitů (po více vodičích)

Z principu činnosti by se mohlo zdát, že paralelní rozhraní je jednoznačně lepší, jelikož v jeden moment dokáže poslat více dat, a tedy je rychlejší. Pravda je ovšem taková, že dnes se sériová rozhraní využívají mnohem častěji než ta paralelní. Důvody jsou následující:

  • při paralelním přenosu je nutné zajistit synchronizaci mezi jednotlivými vodiči, což je poměrně náročné (např. máme-li 8 bitovou paralelní sběrnici, potřebujeme, aby všech 8 bitů jednoho bytu dorazilo přibližně ve stejnou chvíli, aby se nám nepromíchal s následujícím)
  • kompenzační metody předešlého problému nejsou jednoduché a praktické (např. při paralelní komunikaci na DPS (desce plošných spojů) musíme v případě zatáček uměle prodlužovat kratší linky)
  • na delší vzdálenosti je také problém cena vícežilových kabelů
  • na DPS zabírají sériové linky méně místa - místo navíc přidává extra izolaci proti rušení
  • IC (integrované obvody) mají omezený počet vývodů, a tedy je pro ně sériové rozhraní lepší
  • u sériových linek je také mnohem jednodušší SW implementace rozhraní (pokud nemá mikrokontrolér odpovídající řadič)

Výhod paralelních rozhraní oproti dnešním sériovým rozhraním není mnoho. Tím nejdůležitějším je patrně obvodová složitost. Paralelní rozhraní mohou přenášet data "přirozeně" (z PC vyjde byte, který můžeme přenést tak jak je), kdežto u sériových rozhraní je nutné nejprve provést serializaci a následně deserializaci. K tomu se používají zařízení zvaná serializátor a deserializátor.

Využití

  • sériové rozhraní - prakticky v každém druhu komunikace
  • paralelní rozhraní - v rádiovém přenosu (s využitím např. PAM)

Příklady paralelních rozhraní, která byla nahrazena sériovými

  • paralelní port → USB (např. připojení tiskáren k PC)
  • PATA → SATA (připojení sekundární paměti PC)
  • PCI → PCI Express

Synchronní a asynchronní rozhraní

První význam (kterému se budeme věnovat níže):

  • synchronní rozhraní při komunikaci využívá tzv. hodinový signál, který synchronizuje činnost obou komunikujících zařízení
  • asynchronní rozhraní komunikuje bez pevně dané časové struktury (zprávy chodí nahodile), k identifikaci zpráv se často používají start-stop bity

Druhý význam (používá se spíše ve "vyšších vrstvách informatiky", např. programování):

  • synchronní rozhraní komunikuje tak, že odesílatel po odeslání zprávy čeká na její odpověď (tomuto přístupu se také říká blokující)
  • asynchronní rozhraní komunikuje bez nutnosti čekat na odpověď (po odeslání vykonává dále svou činnost = neblokující)

Synchronní rozhraní

Základem synchronních rozhraní je hodinový signál. Ten zajišťuje, že přijímající strana bude číst data jen ve chvíli, kdy je druhá strana odesílá a naopak (např. máme systém reagující na náběžnou hranu hodinového signálu. Když k ní dojde, odesílatel zapíše data (změní napěťovou hladinu linky) a současně je přijímač začne číst.). Hodinový signál může být:

  • sdílený
    • obě strany pro něj mají společnou linku (přídavný vodič), např TWI (I2C)
    • nedochází k rozsynchronizování
  • oddělený
    • obě zařízení mají vlastní generátor hodinového signálu
    • může dojít k rozsynchronizování (je nutné řešit - posílat synchronizační zprávy)

Asynchronní rozhraní

Asynchronní přenos (někdy též arytmický přenos) se od synchronního liší tém, že k synchronizaci dochází pouze během přenosu datového rámce. To znamená, že k začátku přenosu může dojít kdykoliv (k jeho identifikaci slouží tzv. start bit). Po přijetí start bitu se další bity čtou podle předem stanovené rychlosti (= baud rate; čímž v tuto dobu dochází k synchronizaci) a s přijetím tzv. stop bitu (ukončujícího datový rámec) komunikace končí, do přijetí dalšího start bitu.

Běžně používaná komunikační rozhraní

Zde budeme pojem rozhraním často zaměňovat s pojmem sběrnice.

JTAG

Rozhraní JTAG (Joint Test Action Group) se užívá pro verifikaci a testování HW vestavěných systémů (lze říci že PCB obecně). Jedná se o sériové rozhraní s nízkou režijí (overhead) přístupu. Připojuje se k Test Access Portu (TAP) na procesoru, prostřednictvím kterého lze přistupovat k registrům, které obsahují informace o stavu a činnosti procesoru.

Používá se k debugu SW vestavěných zařízení, testování různých úrovní HW zařízení, Boundary scanu (testování propojení bloků na PCB či uvnitř IC) a dalším testovacím účelům.

JTAG se používá ve většině vestavěných systémů, např.:

  • ARM procesory (používané např. v Raspberry Pi)
  • téměř všechna FPGA
  • některé 8 a 16 bitové mikrokontroléry s vyšším počtem vývodů

SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) je, jak už název napovídá, sériové, asynchronní a full-duplexní rozhraní využívající společnou sběrnici. Jedná se o rozhraní typu single master, multi slave (jedno řídicí zařízení, více obyčejných). Používá se primárně pro připojení externí paměti, A/D převodníků, displejů, vzájemnou komunikaci mezi kontroléry, atd.

Fyzicky obsahuje (minimálně) čtyři vodiče:

  • SCLK
    • slouží k distribuci hodinového signálu (od mastera k ostatním)
    • k ní dochází jen během komunikace (= asynchronní rozhraní)
    • je společný pro všechna zařízení
  • MOSI
    • master out, slave in
    • přenáší data od mastra k vybranému slavu
    • je společný pro všechna zařízení
  • MISO
    • master in, slave out
    • přenáší data od vybraného slava k masteru
    • je společný pro všechna zařízení
  • SS1...n
    • slave select
    • slouží k výběru konkrétního slave zařízení (toho, se kterým se bude právě komunikovat)
    • každý slave má vlastní (SS1, SS2, ...)
Blokové schéma SPI zapojení
obr. 1: Blokové schéma SPI zapojení
zdroj: en:User:Cburnett, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Adresování

Adresování probíhá přivedením log. 0 (piny jsou invertované) na vybraný SSn pin. Z toho vyplývá nevýhoda tohoto rozhraní - počet adresovacích pinů odpovídá počtu připojených zařízení.

Komunikace

  1. master nastaví příslušný SSn pin na log. 0
  2. začne generovat hodinový signál
  3. začne posílat svá data na MOSI a zvolený slave zase na MISO (délka dat může být 8 nebo 16 bitů)
  4. bod 3 se opakuje, dokud master nepřestane generovat hodinový signál a nenastaví příslušný SSn na 1

UART

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) je standard popisující sériové asynchronní rozhraní pro komunikaci mezi dvěma zařízeními (existují i úpravy pro single master, multi slave komunikaci). Standard nedefinuje napěťové úrovně rozhraní, ty jsou určeny jinými komplementárními standardy, nejčastěji RS-232 a RS-485.

Existuje i varianta USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver-Transmitter), která umožňuje i synchronní činnost.

Fyzicky vyžaduje UART pouze dva vodiče (ale může jich být více, pro další pomocné úkoly, ty všask definuje konkrétní použitý standard):

  • Rx - přijímač; slouží k přijímání dat z druhého zařízení
  • Tx - vysílač; slouží k odesílání dat do druhého zařízení

Propojení je křížové, tedy RX - Tx.

Adresování

Adresace se zde neprovádí, jelikož je to komunikace 1 - 1.

Komunikace

UART umožňuje jak binární, tak znakovou komunikaci. Data jsou odesílána v paketech, které mají následující formát:

Start bitDataParitní bitStop bity
15 - 90 - 11 - 2

K synchronizaci při komunikaci dochází jen při samotném posílání paketů a generování hodinových provádí obě strany samostatně. Levnější UART zařízení vzájemně synchronizují hodiny pouze při start bitu, ty pokročilejší při přijetí každého bitu zprávy.

Komunikace probíhá tak, že odesílatel postupně (v sérii) odešle všechny bity paketu. Příjemce je postupně ukládá do posuvného registru, po přijetí celého paketu dojde ke kontrole parity (k tomu je paritní bit) a pokud projde, překlopí se data do perzistentnějšího bufferu (aby šlo do posuvného registru přijímat další) a systému se oznámí, že jsou k dispozici data (interrupt nebo flag).

Obě komunikující zařízení musejí mít shodně nastavené následující parametry:

  • baud rate - určuje rychlost přenosu v bitech za sekundu (= frekvence hodinového signálu), nejnižší používaný je 75 Bd, poté se jedná o dvojnásobky, případně 1,5 násobky; nejběžnější jsou 9600 a 115200 Bd
  • přítomnost paritního bitu
  • počet datových bitů
  • počet datových bitů
Blokové schéma zapojení využívajícího UART
obr. 2: Blokové schéma zapojení využívajícího UART
zdroj: https://vanhunteradams.com/Protocols/UART/UART.html

I2C

I2C (Inter-Integrated Circuit) je sériové, synchronní rozhraní typu multi master, multi slave (ale často se soužívá jako single master, multi slave). Používá se pro připojení periferií (paměti EEPROM, A/D D/A převodníky, displeje, senzory, atd.) k vestavěným systémům, ale i k PC. Původně bylo navrženo pro tzv. on-board komunikaci (mezi obvody na jedné DPS), ale úspěšně se používá i pro propojení oddělených zařízení (do 1 m je to s jistotou bezpečné).

I2C je ochrannou známkou společnosti Philips. Proto mnoho výrobců používá téměř identickou sběrnici TWI (Two Wire Interface).

Fyzicky vyžaduje I2C pouze dva vodiče - SDA (přenos dat), SCL (hodinový signál). Všechna zařízení se připojují na oba dva. Obě linky jsou zapojeny jako otevřený kolektor a musejí být pomocí tzv. pull-up rezistorů připojeny k log. 1 (aby byla zajištěna log. 1 v klidovém stavu).

Blokové schéma I<sup>2</sup>C zapojení
obr. 3: Blokové schéma I2C zapojení
zdroj: en:user:Cburnett, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Adresace

Každé slave zařízení musí mít unikátní 7 nebo 10 bitovou adresu (ta je obvykle pevně daná). Ta je vysílána vždy na začátku každého požadavku (po příkazu START) a zařízení, kterému patří následně reaguje potvrzením.

Je tedy možné připojit najednou 128, resp. 1024 zařízení. Některá zařízení, u kterých je běžné, že je použto více kusů (např paměti), mívají část adresy nastavitelnou.

Komunikace

Postup:

  1. master vyšle příkaz START
  2. master vyšle adresu cílového zařízení (slave)
  3. master vyšle R/W bit (určuje, jestli se má jednat o čtení, nebo zápis z/do slave)
  4. slave vyšle ACK, jako potvrzení naslouchání
  5. odesílají se data, podle směru R/W bitu (za každým bytem je další ACK)
  6. master vyšle příkaz STOP

Komunikace je řízena metodou detekce kolizí. Jelikož může dojít k více požadavkům od více masterů najednou, musejí všechna zařízení při odesílání dat sledovat stav SDA. Objeví-li se tam rozdíl od odesílaných dat, znamená to kolizi. Kolize se vyřeší tak, že zařízení, které vysílá log. 0 a objeví na SDA log. 1 okamžitě ukončí přenos.

CAN

CAN (Controller Area Network) je sériové asynchronní rozhraní typu multi master, multi slave, využívaná nejčastěji pro vnitřní komunikační síť senzorů a funkčních jednotek v automobilu. Díky svým metodám pro vyhnutí se a řešení kolizí je CAN velmi vhodné pro systémy reálného času.

Adresace

CAN neadresuje jednotlivá zařízení, nýbrž přímo zprávy. Každá zpráva nese krom až 8 B dat také identifikátor, podle kterého příjemci rozhodují, jestli je zpráva zajímá, nebo nikoliv. Ten zároveň slouží k určení priority zprávy (nižší identifikátor, vyšší hodnota).

Komunikace

Jednotlivé stanice připojené na sběrnici vysílají svá data bez ohledu na to, je-li v sytému nějaký "zájemce" nebo nikoliv. Datové rámce proto neobsahují adresu příjemce, nýbrž jen identifikaci (11/29 b) která určuje, jaká data rámec obsahuje. Rámec je přijat všemi přijímači na sběrnici. Každý z přijímačů nezávisle použije identifikaci rámce k rozhodnutí, má-li být právě přijatý rámec akceptován, tj. předán k dalšímu zpracování nebo má-li být vymazán. Každý z přijímačů tak akceptuje pouze datové rámce, které jsou pro danou stanici významné.

Blokové schéma CAN
obr. 4: Blokové schéma CAN
zdroj: ?

Rozdělení podle rychlosti přenosu

Rychlosti zde uvedené jsou jen velmi orientační a v reálných podmínkách se mohou lišit klidně i řádově.

RozhraníTeoretická maximální rychlost přenosu
SPI25 Mbit/s
UART250 kBd (při použití s běžnými RS-232 převodníky); = 250 kbit/s
I2C3,4 Mbit/s (jednosměrně až 5 Mbit/s)
CAN1 Mbit/s

Zdroje