ハードウェアインターフェース

インターフェイス (相互作用) は、マイクロプロセッサ システム内のコンポーネントと参加者間の接続です。

V マイクロプロセッサシステム 含まれるもの: ハードウェア、ソフトウェア、および人... したがって、次の種類のインターフェイスが区別されます。

• ハードウェアインターフェース。

• ソフトウェアインターフェイス。

• ユーザーインターフェース。

オペレーティング システムによって提供されるプログラミング インターフェイス (存在する場合)。最も一般的なユーザー インターフェイスは、グラフィカル インターフェイス (たとえば、Microsoft Office Word エディターのアイコンやコマンド ボタンを備えたコンピューターのデスクトップ) と、メニューをナビゲートして必要なコマンドを選択するジョイスティック インターフェイス (たとえば、携帯電話) です。 、プログラマブル コントローラー）、これも GUI の一種です。

ハードウェア インターフェイスは、マイクロプロセッサ システムのすべての部分間の通信を提供するバス、コネクタ、マッチング デバイス、アルゴリズム、およびプロトコルのシステムです。システムのパフォーマンスと信頼性は、インターフェイスの特性に依存します。

組み込みマイクロプロセッサ システムでは、ハードウェア インターフェイスは CPU オフロード コントローラーによって提供されます。コントローラー これは、監視および制御機能を実行するように設計された特殊なマイクロ回路です。コントローラは、ハードディスク、ランダム アクセス メモリ、キーボードなどのデバイスの動作を管理し、このデバイスと MS の他の参加者との接続を確保します。

タイヤはブリッジによって制御されます...たとえば、パーソナル コンピューターなどの複雑な MS では、中心的な場所はブリッジとコントローラーのセットである «ChipSet» (ChipSet) によって占められます。チップセットには、伝統的にサウス ブリッジとノース ブリッジと呼ばれる 2 つのメイン チップが含まれています (図 1)。ノースブリッジは、システム バス、メモリ バス、AGP (高速グラフィックス ポート) を提供し、コンピューターのメイン コントローラーです。サウス ブリッジは、外部デバイス (PCI バス - 周辺デバイスを接続するための I/O バス) との作業を処理します。

図 1 — パーソナル コンピュータ (PC) 内のデータ交換組織

プロセッサと外部デバイス間の相互作用の体系化は、その種類が豊富であるため最も困難です。

パラレル インターフェイスは、ビットの送信に別の信号線を使用し、ビットが同時に送信されるという特徴があります。古典的なパラレル インターフェイスは LPT ポートです。

シリアル データ送信インターフェイスは、単一の信号線を使用して、情報のビットを次々に連続的に送信します。

コンピュータと産業システムの両方で普及している最も単純なシリアル インターフェイスは、COM - ポートによって実装される RS-232 標準です。産業オートメーションでは、RS-485 が広く使用されています。

USB (ユニバーサル シリアル バス) バスは、携帯電話や家庭用電化製品などのさまざまな周辺機器をコンピュータに接続します。

最初のインターフェイス仕様は USB 1.0 と呼ばれ、現在は USB 2.0 仕様が使用されており、最新のデバイスは USB 3.0 仕様に接続されています。

USB 2.0 規格には、データの受信と送信、+5 V 電源、ケースの 4 つのラインが含まれています。これらに加えて、USB 3.0 ではさらに 4 つの通信ライン (受信用に 2 つ、送信用に 2 つ) とケースが追加されます。

USB バスは高帯域幅を備えており (USB 2.0 では最大 480 Mbps、USB 3.0 では最大 5.0 Gbps)、データ転送だけでなく、低電力外部デバイスへの電力供給も提供します (最大電流)。 USB バスの電力線を介した消費デバイスの電流は、USB 2.0 の場合は 500 mA、USB 3.0 の場合は 900 mA を超えないようにする必要があります。これにより、外部電源が不要になります。

ワイヤレス (無線) インターフェイスを使用すると、通信ケーブルから離れることができます。これは、サイズと重量がケーブルに匹敵する小型のデバイスにとって特に重要です。無線インターフェースの使用 電磁波 赤外線 (IrDA) および無線周波数範囲 (Bluetooth、USB ワイヤレス)。

赤外線 IrDA インターフェイスにより、最大 1 メートルの距離にある 2 つのデバイス間のワイヤレス通信が可能になります。赤外線通信 - IR (赤外線) 接続 - 健康には安全で、無線周波数範囲で干渉を引き起こさず、通信のプライバシーを確​​保します。赤外線は壁を通過しないため、受信エリアは制御しやすい小さなエリアに限定されます。

Bluetooth (ブルートゥース) は、パーソナル ネットワークを組織するための低電力無線インターフェイス (送信電力はわずか約 1 mW) で、短距離でのリアルタイム データ送信を提供します。各 Bluetooth デバイスには、2.4 GHz の無線送信機と受信機があります。無線インターフェースの到達距離は約 100 m で、標準的な住宅をカバーできます。

ワイヤレス USB (USB ワイヤレス) — 高帯域幅の短距離無線インターフェイス: 最大 3 メートルの距離で 480 Mbps、最大 10 メートルの距離で 110 Mbps。 3.1 ～ 10.6 GHz の周波数範囲で動作します。

RS-232 (RS - 推奨標準) インターフェイスは、コンピュータとデータ転送デバイスという 2 つのデバイスを接続します。伝送速度は115Kbps(最大)、伝送距離は15m(最大)、接続方式はポイントツーポイントです。

このインターフェイスからの信号は (3 ～ 15) V の電圧降下で送信されるため、RS-232 通信ラインの長さは、ノイズ耐性が低いため、原則として数メートルの距離に制限されます。産業用機器で最もよく使用され、パーソナル コンピュータでは「マウス」タイプのマニピュレータやモデムを接続するために使用されます。 RS-232 インターフェイスでは、2 つのデバイスのみを接続するため、通常、ネットワークを使用できません。

図 2 — DB9 タイプ RS-232 コネクタ

RS-485 インターフェイスは、双方向データ伝送用に広く使用されている高速、耐ジャミング産業用シリアル インターフェイスです。工業デザインにおけるほとんどすべての最新のコンピューター、ほとんどのセンサーおよびドライブには、RS-485 インターフェイスの何らかの実装が含まれています。

データの送受信には 1 本のツイストペア線 (ツイストペア) で十分です。データ伝送は差動信号を使用して実行されます（元の信号が一方のワイヤに送られ、その逆コピーがもう一方のワイヤに送られます）。ワイヤ間の一方の極性の電圧差は論理 1 を意味し、もう一方の極性の差はゼロを意味します。

外部干渉が存在する場合、隣接するワイヤのタップは同じであり、信号はワイヤ内の電位差であるため、信号レベルは変化しません。これにより、高いノイズ耐性が得られ、通信回線の全長は最大 1 km (特殊なデバイス (リピータ) を使用するとさらに長くなります) になります。

RS-485 インターフェイスは、半二重モード (時間的に分離された 1 対のワイヤを介して受信と送信が行われる) の 2 線通信回線を介して、複数のデバイス間でデータ交換を提供します。プロセス制御システムを作成するために業界で広く使用されています。

イーサネット (ether — ether) — ほとんどのローカル コンピューター ネットワークで使用されるデータ伝送テクノロジ。このインターフェイスは IEE 802.3 標準に基づいており、RS-485 インターフェイスは 1 対多のベースで考えることができますが、イーサネットは多対多のベースで動作します。

ビット レートと伝送メディアに応じて、いくつかのオプションがあります。

• イーサネット - 10Mbps

• ファストイーサネット - 100Mbps

• ギガビットイーサネット - 1 Gbps

• 10ギガビットイーサネット

同軸ケーブル、ツイストペア（低コスト、高いノイズ耐性）、および光ケーブル（より長い回線と高速通信チャネルの作成）が伝送媒体として使用されます。

ツイストペア (ツイストペア) - 通信ケーブルの一種で、1 対以上の絶縁ワイヤをより合わせてプラスチックのシースで覆ったものです。

たとえば、FTP ケーブル (ツイスト ペア - 誘導電流を排出するための共通のフォイル シールドと銅導体を備えたツイスト ペア)、4 ペア (単線)、カテゴリ 5e (図 3)。このケーブルは、建物、構造物への固定設置、および構造化ケーブル システムでの作業を目的としています。上限が 100 MHz の周波数範囲で動作するアプリケーション向けに設計されています。

図 3 — ツイストペア: 1 — 外側シース、2 — ホイルシールド、3 — ドレインワイヤ、4 — 保護フィルム、5 — ツイストペア

物理レベルでは、イーサネット プロトコルは、マイクロプロセッサ システムに組み込まれたネットワーク カードと、システムを相互に接続するハブの形で実装されます。

産業用ネットワーク (Profinet、EtherNet / IP、EtherCAT、Ethernet Powerlink) は Ethernet に基づいて構築されており、以前に開発されたネットワーク Profibus、DeviceNet、CANopen などと競合することに成功しています。