Интерфейсы и коммуникация встроенных систем. Лекция 4

1.

Лекция 4.
Интерф ейсы и
коммуникация
встроенны х систем

2.

Что такое интерфейс?
Толковый словарь по вычислительным системам определяет
понятие «интерфейс» (interface) как границу раздела двух
систем, устройств или программ; элементы соединения и
вспомогательные схемы управления, используемые для
соединения устройств. В ГОСТ Р 50304-92 понятию
«интерфейс» дается следующее определение: совокупность
средств и правил, обеспечивающих взаимодействие
устройств вычислительной машины или системы обработки
информации и (или) программы.
Коммуникация встроенных систем - это процесс обмена
информацией между встроенными устройствами или между
встроенными системами и внешними устройствами. Этот
обмен данных может происходить по различным
интерфейсам и протоколам, включая проводные и
беспроводные технологии связи.

3.

Характеристики интерфейсов. Интерфейсы
персональных компьютеров
Интерфейсы позволяют подключать к компьютерам или
встраиваемым контроллерам разнообразные периферийные
устройства, а также соединять отдельные подсистемы
компьютера в системном блоке или интегральные микросхемы
на печатной плате электронного модуля. Интерфейсы
периферийных устройств персональных компьютеров известны
гораздо лучше, чем интерфейсы интегральных схем. Это связано
с тем, что с применением первых регулярно сталкиваются
обычные пользователи вычислительной техники, а применение
вторых – скорее удел инженеров-электронщиков. В связи с этим
классификацию и рассмотрение характеристик лучше проводить
с примерами компьютерных интерфейсов.

4.

Характеристики интерфейсов. Интерфейсы
персональных компьютеров
Ключевыми параметрами идентификации конкретного интерфейса
являются следующие:
способ передачи информации;
способ синхронизации;
режим передачи информации;
структура шины;
максимальная пропускная способность.
Кроме этого, также учитываются :
способ кодирования сигналов при передаче;
наличие и метод контроля целостности информации;
возможность «горячего» подключения и отключения периферии;
допустимое удаление соединяемых устройств друг от друга;
наличие или отсутствие гальванической развязки интерфейсных
линий.

5.

6.

Программно-аппаратные системы встраиваемого
класса отличаются малыми габаритами и весом, а
также относительно малым энергопотреблением.
Зачастую они выполняют вспомогательные
функции в составе сложных комплексов (панели
ввода-вывода информации, всевозможные
автоматические регуляторы и т.д.), однако могут
представлять собой и самостоятельные
законченные устройства.
В процессе функционирования происходит
информационное взаимодействие на разных уровнях
организации систем:
• вертикально – между различными уровнями
организационной иерархии (прием информации для
обработки, возврат 16 обработанной информации,
передача сигналов о собственном состоянии или
мониторинг других устройств);
• горизонтально – между устройствами, выполняющими
сходные функции;
•внутри устройства между электронными компонентами;
•с внешними устройствами и системами.

7.

Любое из таких взаимодействий требует от участников информационного
обмена соблюдения правил, т.е. следования технической спецификации
используемого интерфейса.
Выбор же конкретного интерфейса делается проектировщиком исходя из
следующих основных критериев:
1. необходимая пропускная способность при заданной разрядности и
длине физической линии передачи;
2. 2. минимизация дополнительных аппаратных средств и программных
разработок для организации интерфейса.
Второй из вышеуказанных критериев оказывает особенно сильное
влияние на выбор внутриплатных интерфейсов, ввиду специфических
характеристик устройств встраиваемого класса: добавление нового
интерфейса способно привести, например, к увеличению габаритов и
энергопотребления из-за необходимости установки интегральной схемы,
реализующей данный интерфейс на физическом и/или логическом
уровне.

8.

В настоящее время производители микроконтроллеров и схем
программируемой логики стремятся охватить своей номенклатурой
наибольшее число интерфейсов, применяемых для обмена информацией
внутри печатной платы, а также вне её. В результате, проектировщик
избавляется от необходимости расширять электрическую схему устройства и
объем встраиваемого программного обеспечения для обмена данными с
периферийными для центрального вычислителя аналогоцифровыми
преобразователями (АЦП), цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП),
аккумуляторными источниками питания со 17 встроенными контроллерами,
расширителями портов, датчиками температуры и т.д.

9.

Серийные интерфейсы:
oUART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter):
Используется для последовательной передачи данных между
устройствами.
oSPI (Serial Peripheral Interface): Позволяет обмен данными
между микроконтроллерами и периферийными устройствами
в режиме полного дуплекса.
oI2C (Inter-Integrated Circuit): Интерфейс, предназначенный
для соединения микросхем встроенных систем,
обеспечивающий обмен данными.
Шины данных:
CAN (Controller Area Network): Шины данных,
обеспечивающие коммуникацию между различными
устройствами в системе.
Аналоговые и цифровые входы/выходы:
oАЦП (Аналогово-Цифровой Преобразователь): Позволяет
встроенной системе измерять аналоговые значения и
преобразовывать их в цифровой формат.
oЦАП (Цифро-Аналоговый Преобразователь): Используется
для преобразования цифровых данных в аналоговый сигнал.

10.

Роль интерфейсов во
встроенных системах
Связующее звено
Интерфейсы играют важную
роль, обеспечивая связь между
различными компонентами и
устройствами во встроенных
системах.
Обмен данными
Они позволяют передавать
информацию между
различными устройствами,
выполнять команды и
координировать работу
системы.
Удобство использования
Гибкость и расширяемость
Хорошо разработанные
интерфейсы позволяют
пользователю легко
взаимодействовать с встроенной
системой, делая ее более
доступной и удобной в
использовании.
Интерфейсы позволяют добавлять
новые функциональные
возможности и расширять
систему в будущем без
необходимости изменения ее
основной архитектуры.

11.

Основ ны е принципы коммуникации
встроенны х систем
1
Принцип синх ронизации
Для успешной коммуникации встроенных
систем необходимо, чтобы все устройства
были в согласованном состоянии и
оперировали на одной временной основе.
2
Принцип надежнос ти
Встроенные системы должны быть способны
обеспечивать надежную передачу данных при
различных условиях эксплуатации и внешних
воздействиях.
3
Принцип эф ф ектив нос ти
Коммуникация встроенных систем должна
происходить с минимальной задержкой и
использованием оптимальных ресурсов, таких
как пропускная способность и энергия.

12.

Протоколы связи
Протоколы уровня прикладного
программирования
Протоколы передачи
данных
HTTP, MQTT, CoAP и другие для
обмена данными между
устройствами в Интернете
вещей (IoT).
TCP/IP, UDP для передачи
данных по сетям.
Сетевые интерфейсы
Ethernet
Интерфейс Ethernet широко
используется для подключения
встроенных систем к локальным
сетям и Интернету, обеспечивая
высокоскоростную передачу данных.
Bluetooth/Wi-Fi
Беспроводная технология
Bluetooth/ Wi-Fi позволяет
устройствам устанавливать
беспроводное соединение и
обмениваться данными на низкой
энергии.

13.

Надежность и безопасность
интерф ейсов во встроенны х
системах
1
Ошибки и контрол ь
2
Интерфейсы должны
обеспечивать контроль и
коррекцию ошибок для
надежной передачи
данных без потерь.
3
Защита данны х
Встроенные системы должны
иметь механизмы для защиты
передаваемых данных от
несанкционированного доступа
и вторжений.
Соответств ие стандартам
Интерфейсы должны соответствовать промышленным и
безопасностным стандартам для обеспечения высокой
надежности и безопасности системы.

14.

Вопросы:
1) Что такое интерфейс?
2) Назовите серийные интерфейсы
3) Роль интерфейсов во встроенных системах
4) Что такое коммуникация встроенных систем?