واجهات الأجهزة

الواجهة (التفاعل) هي الاتصال بين المكونات والمشاركين في نظام المعالجات الدقيقة.

الخامس نظام المعالجات الدقيقة تشمل: الأجهزة والبرامج والأشخاص ... لذلك يتم تمييز أنواع الواجهات التالية:

• واجهة الأجهزة

• واجهة البرنامج

• واجهة المستخدم.

واجهة البرمجة التي يوفرها نظام التشغيل (إن وجد). أكثر واجهات المستخدم شيوعًا هي واجهة رسومية (على سبيل المثال ، سطح مكتب كمبيوتر به رموز أو أزرار أوامر في محرر Microsoft Office Word) وواجهة عصا تحكم ، حيث نختار الأمر الذي نحتاجه من خلال التنقل عبر القوائم (على سبيل المثال ، الهواتف المحمولة ، وحدات تحكم قابلة للبرمجة) ، وهو أيضًا نوع من واجهة المستخدم الرسومية.

واجهة الأجهزة عبارة عن نظام من الحافلات والموصلات وأجهزة المطابقة والخوارزميات والبروتوكولات التي توفر الاتصال بين جميع أجزاء نظام المعالجات الدقيقة. يعتمد أداء وموثوقية النظام على خصائص الواجهة.

في أنظمة المعالجات الدقيقة المضمنة ، يتم توفير واجهة الأجهزة بواسطة وحدات تحكم إلغاء تحميل وحدة المعالجة المركزية.جهاز التحكم هو عبارة عن دائرة كهربائية متخصصة مصممة لأداء وظائف المراقبة والتحكم. تدير وحدة التحكم تشغيل الجهاز ، على سبيل المثال ، القرص الصلب ، وذاكرة الوصول العشوائي ، ولوحة المفاتيح ، وتضمن توصيل هذا الجهاز بالمشاركين الآخرين في MS.

يتم التحكم في الإطارات بواسطة الجسور ... في MS المعقدة ، على سبيل المثال ، مثل الكمبيوتر الشخصي ، يشغل المكان المركزي "ChipSet" (ChipSet) - مجموعة من الجسور وأجهزة التحكم. تحتوي مجموعة الشرائح على شريحتين رئيسيتين يطلق عليهما تقليديًا الجسر الجنوبي والجسر الشمالي (الشكل 1). يخدم Northbridge ناقل النظام ، ناقل الذاكرة ، AGP (منفذ الرسومات المعجل) وهو وحدة التحكم الرئيسية في الكمبيوتر. يعمل الجسر الجنوبي مع الأجهزة الخارجية (ناقل PCI - ناقل الإدخال / الإخراج لتوصيل الأجهزة الطرفية).

الشكل 1 - منظمات تبادل البيانات في أجهزة الكمبيوتر الشخصية (أجهزة الكمبيوتر)

يعد تنظيم التفاعل بين المعالج والأجهزة الخارجية هو الأكثر صعوبة ، نظرًا لتنوعها الكبير.

تتميز الواجهات المتوازية بأنها تستخدم خطوط إشارة منفصلة لإرسال البتات ويتم إرسال البتات في وقت واحد. الواجهة المتوازية الكلاسيكية هي منفذ LPT.

تستخدم واجهة نقل البيانات التسلسلية خط إشارة واحد تنتقل عبره بتات المعلومات واحدة تلو الأخرى.

أبسط واجهة تسلسلية ، والتي أصبحت منتشرة على نطاق واسع في كل من أجهزة الكمبيوتر والأنظمة الصناعية ، هي معيار RS-232 ، الذي يتم تنفيذه بواسطة منافذ COM ... في الأتمتة الصناعية ، يتم استخدامه على نطاق واسع RS-485.

يقوم ناقل USB (الناقل التسلسلي العالمي) بتوصيل مجموعة متنوعة من الأجهزة الطرفية بجهاز الكمبيوتر الخاص بك ، بما في ذلك الهواتف المحمولة والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.

تسمى مواصفات الواجهة الأولى USB 1.0 ، ويتم استخدام مواصفات USB 2.0 حاليًا ، ويتم توصيل الأجهزة الحديثة بمواصفات USB 3.0.

يحتوي معيار USB 2.0 على أربعة خطوط: استقبال البيانات ونقلها ، ومصدر طاقة +5 فولت وحالة. بالإضافة إلى ذلك ، يضيف USB 3.0 أربعة خطوط اتصال أخرى (2 للاستقبال واثنان للإرسال) وحالة.

يحتوي ناقل USB على نطاق ترددي عالٍ (يوفر USB 2.0 معدل نقل بيانات أقصى يصل إلى 480 ميجابت في الثانية ، و USB 3.0 - حتى 5.0 جيجابت في الثانية) ويوفر ليس فقط نقل البيانات ، ولكن أيضًا مصدر الطاقة للأجهزة الخارجية منخفضة الطاقة (الحد الأقصى للتيار جهاز استهلاك من خلال خطوط الطاقة لناقل USB ، يجب ألا يتجاوز 500 مللي أمبير لـ USB 2.0 و 900 مللي أمبير لـ USB 3.0) ، مما يلغي الحاجة إلى مصادر طاقة خارجية.

تسمح لك الواجهات اللاسلكية (اللاسلكية) بالابتعاد عن كبلات الاتصال ، وهو أمر مهم بشكل خاص للأجهزة ذات الحجم الصغير والحجم والوزن مقارنة بالكابلات. استخدام الواجهات اللاسلكية موجات كهرومغناطيسية نطاقات الأشعة تحت الحمراء (IrDA) وترددات الراديو (Bluetooth ، USB لاسلكي).

تسمح واجهة الأشعة تحت الحمراء بالأشعة تحت الحمراء بالاتصال اللاسلكي بين جهازين على مسافة تصل إلى متر واحد. الاتصال بالأشعة تحت الحمراء - اتصال الأشعة تحت الحمراء - آمن للصحة ، ولا يسبب تداخلًا في نطاق التردد اللاسلكي ويضمن خصوصية الإرسال. لا تمر الأشعة تحت الحمراء عبر الجدران ، لذا فإن منطقة الاستقبال تقتصر على منطقة صغيرة يمكن التحكم فيها بسهولة.

Bluetooth (الأسنان الزرقاء) هي واجهة راديو منخفضة الطاقة (طاقة جهاز الإرسال تبلغ حوالي 1 ميغاواط فقط) لتنظيم الشبكات الشخصية التي توفر نقل البيانات في الوقت الفعلي عبر مسافات قصيرة. يحتوي كل جهاز Bluetooth على جهاز إرسال واستقبال لاسلكي 2.4 جيجا هرتز. يبلغ مدى واجهة الراديو حوالي 100 متر - لتغطية منزل قياسي.

USB لاسلكي (USB لاسلكي) - واجهة راديو قصيرة المدى ذات نطاق ترددي عالٍ: 480 ميجابت في الثانية على مسافة تصل إلى 3 أمتار و 110 ميجابت في الثانية على مسافة تصل إلى 10 أمتار. يعمل في نطاق تردد 3.1 - 10.6 جيجاهرتز.

تربط واجهة RS-232 (RS - المعيار الموصى به) جهازين - جهاز كمبيوتر وجهاز نقل بيانات. تبلغ سرعة الإرسال 115 كيلوبت في الثانية (كحد أقصى) ، ومسافة الإرسال 15 مترًا (كحد أقصى) ، ونظام الاتصال من نقطة إلى نقطة.

يتم إرسال الإشارات من هذه الواجهة بواسطة انخفاض الجهد (3 ... 15) فولت ، وبالتالي فإن طول خط الاتصال RS-232 ، كقاعدة عامة ، يقتصر على مسافة عدة أمتار بسبب مناعة الضوضاء المنخفضة. غالبًا ما يستخدم في المعدات الصناعية ، في الكمبيوتر الشخصي يتم استخدامه لتوصيل مناور من نوع "الماوس" ، وهو مودم. لا تسمح واجهة RS-232 عمومًا بالشبكات لأنها توصل جهازين فقط.

الشكل 2 - موصل RS-232 من نوع DB9

واجهة RS-485 هي واجهة تسلسلية صناعية عالية السرعة ومضادة للتشويش تستخدم على نطاق واسع لنقل البيانات في اتجاهين. تحتوي جميع أجهزة الكمبيوتر الحديثة تقريبًا في التصميم الصناعي ، ومعظم أجهزة الاستشعار ومحركات الأقراص على تطبيق أو آخر لواجهة RS-485.

يكفي زوج واحد من الأسلاك الملتوية (زوج مجدول) لنقل البيانات واستقبالها.يتم نقل البيانات باستخدام الإشارات التفاضلية (تنتقل الإشارة الأصلية على سلك ، والنسخة العكسية على الآخر). فرق الجهد لقطبية واحدة بين الأسلاك يعني منطقيًا ، والفرق في القطبية الأخرى يعني صفرًا.

في حالة وجود تداخل خارجي ، فإن الحنفيات الموجودة في الأسلاك المجاورة هي نفسها ، وبما أن الإشارة هي الفرق المحتمل في الأسلاك ، فإن مستوى الإشارة يظل دون تغيير. وهذا يوفر مناعة عالية من الضوضاء ويصل طول خط الاتصال الإجمالي إلى 1 كم (وأكثر مع استخدام أجهزة خاصة - مكررات).

توفر واجهة RS-485 تبادل البيانات بين العديد من الأجهزة عبر خط اتصال ثنائي الأسلاك في وضع أحادي الاتجاه (يمر الاستقبال والإرسال عبر زوج واحد من الأسلاك المفصولة زمنياً). يستخدم على نطاق واسع في الصناعة لإنشاء أنظمة التحكم في العمليات.

إيثرنت (إيثر - إيثر) - تقنية نقل البيانات المستخدمة في معظم شبكات الكمبيوتر المحلية. تعتمد هذه الواجهة على معيار IEE 802.3. بينما يمكن اعتبار واجهة RS-485 على أساس واحد إلى متعدد ، يعمل Ethernet على أساس متعدد إلى متعدد.

هناك عدة خيارات حسب معدل البت ووسيط الإرسال:

• إيثرنت - 10 ميجابت في الثانية

• إيثرنت سريع - 100 ميجابت في الثانية

• شبكة جيجابت إيثرنت - 1 جيجابت في الثانية

• 10 جيجابت إيثرنت

يتم استخدام الكبل المحوري ، والزوج الملتوي (التكلفة المنخفضة ، والمناعة العالية للضوضاء) والكابل البصري (إنشاء خطوط أطول وقنوات اتصال عالية السرعة) كوسائط نقل.

زوج مجدول (زوج مجدول) - نوع من كبلات الاتصال ، هو زوج واحد أو أكثر من الأسلاك المعزولة الملتوية معًا ومغطاة بغمد بلاستيكي.

على سبيل المثال ، كبل FTP (زوج مجدول - زوج مجدول مع درع رقائق مشترك وموصل نحاسي لتصريف التيارات المستحثة) ، 4 أزواج (صلبة) ، الفئة 5e (الشكل 3). الكبل مخصص للتركيب الثابت في المباني والهياكل والعمل في أنظمة الكابلات المهيكلة. مصمم للتطبيقات التي تعمل في نطاق التردد بحد أقصى 100 ميجاهرتز.

الشكل 3 - زوج مجدول: 1 - غلاف خارجي ، 2 - درع رقائق معدنية ، 3 - سلك تصريف ، 4 - فيلم واقي ، 5 - زوج ملتوي

على المستوى المادي ، يتم تنفيذ بروتوكول Ethernet في شكل بطاقات شبكة مدمجة في أنظمة المعالجات الدقيقة والمحاور التي تربط الأنظمة ببعضها البعض.

تم بناء الشبكات الصناعية (Profinet و EtherNet / IP و EtherCAT و Ethernet Powerlink) على أساس Ethernet ، والتي تتنافس بنجاح مع الشبكات المطورة مسبقًا Profibus و DeviceNet و CANopen وما إلى ذلك.