Interfețe seriale

Interfețe seriale RS-232 RS-422 RS-485 I 2 C SPI USB CAN Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 1

CAN Prezentare generală Transmisia datelor Formatul mesajelor Aplicații Exemple de circuite de interfață FlexRay Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 2

Prezentare generală (1) CAN (Controller Area Network) Interfață serială pentru aplicații în timp real Dezvoltată în anii 1980 de firma Robert Bosch pentru automobile Robustețe ridicată în medii cu zgomote electromagnetice semnale diferențiale Datele sunt transmise sub formă de mesaje scurte (maxim 8 octeți) Se utilizează un cod CRC detector de erori Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 3

Prezentare generală (2) Sunt posibile viteze de până la 1 Mbit/s pentru lungimi sub 40 m Sistem CAN: magistrală și procesoare (ECU Electronic Control Unit) Standardele ISO specifică o transmisie diferențială Standarde: ISO 11898-1: protocolul legăturii de date ISO 11898-2: CAN cu viteză ridicată ISO 11898-3: CAN cu viteză redusă ISO 11992-1: CAN tolerant la defecte Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 4

Transmisia datelor (1) Mesajele de date sunt transmise între nodurile magistralei CAN Mesajele nu conțin adrese explicite Conținutul mesajelor este etichetat cu un identificator unic Identificatorul determină și prioritatea mesajului Mesajele sunt recepționate de toate nodurile Nodurile determină dacă mesajul este relevant Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 6

Transmisia datelor (2) Transmisie cu arbitraj automat Un mesaj CAN cu prioritatea cea mai înaltă va câștiga arbitrajul Datele sunt transmise printr-un model binar cu biți dominanți (0 logic) și biți regresivi (1 logic) conexiune ȘI cablat Dacă un nod transmite un bit regresiv, iar un alt nod un bit dominant bit dominant (coliziune) Nodul care transmite mesajul cu prioritate redusă va încerca retransmisia după mesajul dominant Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 7

Transmisia datelor (3) Arbitrajul CSMA/BA CSMA/BA (Carrier Sense Multiple Access / Bitwise Arbitration) Utilizat atunci când două sau mai multe noduri încep transmisia simultan Tehnică de arbitraj nedistructivă Se bazează pe prioritatea mesajelor Arbitrajul se execută în timpul transmiterii câmpului de identificare Nodurile care încep transmisia vor transmite identificatorul începând cu bitul c.m.s. Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 8

Transmisia datelor (4) Dacă identificatorul este un număr mai mare, se va transmite 1 binar (regresiv) și va rezulta 0 binar (dominant) La sfârșitul transmiterii identificatorului, toate nodurile cu excepția unuia vor fi abandonat transmisia Codificarea datelor: NRZ (Non Return to Zero) Număr minim de tranziții Imunitate la perturbații externe Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 9

Formatul mesajelor (1) Cadre: conțin mesajele transmise Formatul de bază Protocol CAN standard (vers. 2.0A) Identificatori de 11 biți Formatul extins Protocol CAN extins (vers. 2.0B) Identificatori de 29 biți Toate cadrele încep cu un bit SOF (Start Of Frame) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 11

Formatul mesajelor (2) Patru tipuri de cadre: Data: conține date ale nodului transmițător Remote: solicită transmisia unui cadru de date cu un anumit identificator Error: transmis de toate nodurile care detectează o eroare Overload: transmis de un nod care este ocupat; permite o întârziere între cadrele de date Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 12

Formatul mesajelor (3) Formatul unui cadru 2.0A Câmp SOF Câmp de arbitrare Identificator ID (11 biți) Bit RTR (Remote Transmission Request) 06.11.2018 Sisteme de calcul dedicate (03-3) 13

Formatul mesajelor (4) Câmp de control Doi biți rezervaţi (r0, r1) Patru biți DLC (Data Length Code): numărul de octeți din câmpul de date Câmp de date 0.. 8 octeți Câmp CRC 15 biți ai codului ciclic redundant Delimitator (1 logic) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 14

Formatul mesajelor (5) Câmp ACK (confirmare) Slot: transmis ca 1 logic și modificat în 0 de nodurile care recepţionează cu succes mesajul Delimitator (1 logic) Câmp EOF (End Of Frame) 7 biţi de 1 Câmp INT (INTermission): perioadă de pauză Formatul unui cadru 2.0B Identificatorul conține 11 + 18 biți Distincția dintre formate: bitul IDE (IDentifier Extension) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 15

Aplicații Automobile ABS, EBD, ESP, controlul injecției, controlul tracțiunii, airbag, aer condiționat etc. Automatizări industriale Sisteme de control și navigație marină Controlul proceselor de producție Telescoape optice Echipamente de birou Sisteme medicale Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 17

Exemple de circuite de interfață (1) Microcontrolerele destinate aplicațiilor industriale conțin module CAN Exemple: familiile PIC18F, PIC24H, PIC32MX (Microchip Technology); MC9S08D, MC9S12G, MAC7100 (Freescale Semiconductor) Se pot utiliza module separate de interfață Exemple: Microchip MCP2510 cu interfață SPI de 5 MHz; Microchip MCP2515 cu interfață SPI de 10 MHz Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 19

Exemple de circuite de interfață (2) Pot fi necesare drivere pentru interfețele CAN ale microcontrolerelor Exemplu: PCA82C250T (Philips Semiconductors) Conectarea circuitului PCA82C250T la un procesor DSP56805 (Freescale Semic.) CANH, CANL: pini pentru liniile diferențiale CAN SLOPE (Rs): selectarea modului de funcționare Conectare la GND: funcționare la viteza maximă Conectare la GND printr-o rezistență: se limitează interferențele electromagnetice Conectarea la +5V: funcționarea cu un curent redus Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 20

Exemple de circuite de interfață (3) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 21

FlexRay (1) Magistrală dezvoltată de FlexRay Consortium între 2000-2010 BMW, VW, Daimler, GM, Bosch, NXP, Freescale Standarde ISO: 17458-1.. 17458-5 Caracteristici noi: Rate de transfer mai ridicate (până la 20 Mbiți/s) Arhitectură cu declanșare pe baza timpului Acțiunile sunt executate la momente de timp predefinite Acces de scriere pe baza metodei TDMA Ceasurile procesoarelor trebuie să fie sincronizate Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 23

FlexRay (2) Funcționare deterministă Redundanță Se pot utiliza două canale de comunicație de câte 10 Mbiți/s pentru a transmite aceleași mesaje Toleranță la defecte Un bit transmis este păstrat pe magistrală pentru 8 cicluri de ceas Receptorul utilizează funcția majoritară pentru ultimele 5 eșantioane recepționate Ca mediu fizic se pot utiliza atât fire de cupru, cât și fibre optice Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 24

Interfețe de comunicație Interfețe seriale Interfețe paralele Interfețe și protocoale fără fir Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 25

Interfețe paralele VME PCI-104 PCI/104-Express și PCIe/104 Compact PCI Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 26

VME VME Prezentare generală Variante VME Module și conectori VXS Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 27

Prezentare generală (1) VME (Versa Module Eurocard) Provine din magistrala VERSAbus (Motorola) Magistrala VERSAbus a fost adaptată pentru formatul dublu Eurocard (6U, 267 160 mm) VMEbus, rev. A Specificațiile VME au fost actualizate (reviziile B, C, C.1) Standarde IEC, IEEE și ANSI/VITA (VITA - VME International Trade Association, www.vita.com) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 28

Prezentare generală (2) Magistrală asincronă Permite componentelor să funcționeze la viteza corespunzătoare tehnologiei utilizate Utilizată pentru aplicații industriale și sisteme înglobate Nu există taxe de licență Fiabilitatea magistralei este asigurată prin: Proiectarea mecanică conectori cu pini metalici Protocolul logic Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 29

Prezentare generală (3) Familie de trei magistrale VME: magistrală principală VSB: magistrală secundară Magistrală pentru extensiile de memorie Permite creșterea performanțelor prin reducerea traficului global pe magistrala principală VME VMS: magistrală serială Utilizată pentru comunicarea și sincronizarea între mai multe procesoare Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 30

Variante VME (1) Varianta VME originală Linii de date și adrese nemultiplexate Dimensiunea datelor: 8.. 32 de biți Dimensiunea adreselor: 16.. 32 de biți Posibilitatea multiprocesării: arhitectură M/S Arbitrare centralizată prin conectare în lanț Un număr de 7 linii de întrerupere Conectori cu 96 pini (3 rânduri x 32) Până la 21 plăci de extensie pe placa de bază Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 32

Variante VME (2) VME64 Date de 64 biți (dublu Eurocard) Adrese de 64 biți (dublu Eurocard) Adrese de 32 sau 40 biți (simplu Eurocard) Conectori cu zgomote mai reduse Facilități plug and play memorie ROM VME64x Pini de alimentare la 3,3 V 141 pini de I/E definiți de utilizator Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 33

Variante VME (3) Noi conectori cu 160 pini (5 rânduri x 32) Compatibili cu conectorii cu 96 pini Conector suplimentar cu 95 pini (5 x 19) Rată de transfer mai ridicată (max. 160 MB/s) Protocol modificat pentru ciclurile de transfer de date 2eVME (Double-edge VME) Posibilitatea inserării modulelor în timpul funcționării Panouri frontale cu pini de ghidare Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 34

Variante VME (4) VME320 Rată de transfer de peste 320 MB/s (rată de transfer la vârf de peste 500 MB/s) Metodă de interconectare sub formă de stea Toți conectorii sunt legați împreună la conectorul din mijloc al plăcii de bază Un nou protocol 2eSST (Double-edge Source Synchronous Transfer) În timpul fazelor de date, protocolul este sincron la sursă Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 35

Module și conectori (1) Dimensiuni ale modulelor VME Înălțime simplă: 3U x 160 mm (U unitate de măsură; 1U = 1.75 = 44,45 mm) Înălțime dublă: 6U x 160 mm Înălțime triplă: 9U x 400 mm Module cu răcire prin conducție Utilizate în aplicații militare și aerospațiale Căldura este condusă prin placa de circuit imprimat sau printr-o placă de conducție Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 37

Module și conectori (2) Plăci de bază VME Lungime de 19 ; 1.. 21 conectori Standard: conectori cu 3 rânduri VME64x: conectori cu 5 rânduri VME320 Tipuri de conectori VME P (Plug): amplasați pe module (plăci) J (Jack): amplasați pe placa de bază P1/J1, P2/J2: 96 sau 160 pini Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 38

Module și conectori (3) P3/J3: se pot include conectori P3 pe module 9U P0/J0: 95 pini; se pot utiliza pentru semnale de viteză ridicată Se pot amplasa conectori speciali între P1/J1 și P2/J2, de ex., pentru: Cabluri coaxiale Cabluri cu fibre optice Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 39

VXS (1) VXS VMEbus Switched Serial Standard ANSI/VITA pentru a combina magistrala VME paralelă cu conexiuni seriale cu viteze ridicate ANSI/VITA 41.0: specificație de bază ANSI/VITA 41.1: conector InfiniBand ANSI/VITA 41.2: conector Serial RapidIO ANSI/VITA 41.3: conector Gigabit Ethernet ANSI/VITA 41.4: conector PCI Express (4x) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 41

VXS (2) Interconexiune serială comutată Conexiuni punct la punct între module Plăci comutatoare (1-2): conțin un comutator Plăci normale (până la 18): alte plăci care se conectează la plăcile comutatoare Semnalele de ceas și de date sunt combinate într-un singur șir de biți serial Rate ale datelor de 3,125 sau 6,25 Gbiți/s Cu codificare 8b/10b: 312,5 sau 625 MB/s Cu codificare 64b/66b: 378 sau 756 MB/s Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 42

VXS (3) Plăci comutatoare 6U x 160 mm Conectorii paraleli P1 și P2 sunt înlocuiți cu 5 conectori seriali (P1.. P5) Conectori MultiGig RT A1 K1, A2 K2: conectori de aliniere și cheie PWR1: conector de alimentare Pot accesa resursele VME prin punți seriale-vme Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 43

VXS (4) Plăci normale P1, P2: conectori paraleli VME64x; 5 rânduri P0: conector serial de viteză ridicată; 7 rânduri A0 K0: conector de aliniere și cheie Conectorul P0 asigură opt legături seriale duplex integral (până la 2,5 GB/s sau 5 GB/s în fiecare direcție) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 44

VXS (5) Plăci de bază VXS Configurație maximă: 18 plăci normale; 2 plăci comutatoare; 1 placă VME64x Topologie stea simplă: fiecare placă normală se conectează la o singură placă comutatoare Topologie stea duală: fiecare placă normală se conectează la ambele plăci comutatoare Topologie plasă: fiecare placă normală se conectează direct la celelalte plăci Până la 3 plăci conectate fără un comutator Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 45

VXS (6) Topologii VXS: stea duală; stea simplă; plasă Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 46

PCI-104 (1) Standard elaborat de PC/104 Consortium, www.pc104.org Destinat pentru sisteme dedicate care funcționează în medii industriale Specifică o placă cu dimensiunile 90 x 96 mm care utilizează magistrala PCI Se bazează pe standardele anterioare PC/104 și PC/104-Plus Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 48

PCI-104 (2) PC/104 Se utiliza magistrala ISA (Industry Standard Architecture) PC/104-Plus S-a adăugat un conector pentru magistrala PCI (32 de biți, 33 MHz) Plăcile PCI-104 conțin numai conectorul PCI Mai multe plăci PCI-104 se pot stivui pentru a realiza sisteme mai complexe Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 49

PCI-104 (3) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 50

PCI-104 (4) O stivă de plăci trebuie să conțină cel puțin o placă UCP Stiva poate conține plăci PC/104, PC/104-Plus și PCI-104 Maxim 4 plăci pentru periferice datorită specificațiilor PCI Plăcile PC/104-Plus și PCI-104 pentru periferice trebuie conectate de aceeași parte a plăcii UCP Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 51

PCI-104 (5) Avantaje: Dimensiuni compacte Conectori cu fiabilitate ridicată pini metalici și socluri Aplicații: Echipamente de comunicație Instrumente medicale Sisteme de control industrial Robotică Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 52

PCI/104-Express și PCIe/104 (1) Specificații elaborate de PC/104 Consortium, www.pc104.org PCI/104-Express O magistrală PCIe (x16) și o magistrală PCI PCIe/104 Nu conține magistrala PCI Două tipuri ale plăcilor PCIe/104: Type 1 și Type 2 Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 54

PCI/104-Express și PCIe/104 (2) Caracteristici comune Type 1 și Type 2 Patru legături PCIe x1 Două interfețe USB 2.0 Semnale de alimentare: +3,3 V; +5 V; +12 V Magistrală SMBus Type 1 O legătură PCIe x16 poate fi configurată ca două legături PCIe x8 sau două legături PCIe x4 Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 55

PCI/104-Express și PCIe/104 (3) Type 2 Două legături PCIe x4 Două interfețe USB 3.0 Două interfețe SATA (Serial ATA) Magistrală LPC (Low Pin Count) conectarea perifericelor de viteză redusă la UCP Baterie pentru un ceas de timp real Plăcile periferice PCIe x1, PCIe x4, USB 2.0 se pot conecta la ambele tipuri de plăci UCP Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 56

CompactPCI (1) Standard elaborat de grupul PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), www.picmg.org (PICMG 2.0) Destinat înlocuirii magistralei VME (Versa Module Eurocard) cu magistrala PCI Majoritatea aplicațiilor industriale utilizau magistrala VME S-a combinat formatul Eurocard cu magistrala PCI standard industrial deschis Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 58

CompactPCI (2) Se poate utiliza o magistrală PCI de 32 sau 64 de biți Plăci Eurocard 3U (100 x 160 mm): Un conector pentru magistrala PCI, 32 biți (J1) Un conector opțional (J2) pentru magistrala PCI de 64 biți sau pini de I/E definiți de utilizator Plăci Eurocard 6U (160 x 233 mm): Conectori J1 și J2 Până la trei conectori pentru pini de I/E Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 59

CompactPCI (3) Conectarea a până la 7 plăci de extensie, fără utilizarea unei punți Conectori de calitate ridicată: pini și socluri, 220 de pini, pasul de 2 mm Un număr mare de pini de masă De obicei, plăcile sunt interconectate printr-o placă de bază pasivă Fixate pe toate marginile Orientate pe verticală Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 60

CompactPCI (4) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 61

CompactPCI (5) Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 62

CompactPCI (6) Extensii ale standardului CompactPCI PICMG 2.1 Posibilitatea adăugării sau eliminării plăcilor în timpul funcționării (Hot Swap) PICMG 2.5 Aplicații de telefonie Se definește o magistrală auxiliară pentru transferul datelor TDM (Time Domain Multiplex) PICMG 2.16 Comunicația între module prin interfața Ethernet Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 63

CompactPCI (7) CompactPCI Express: o magistrală PCIe CompactPCI Serial Topologie stea: conexiuni seriale punct la punct O placă sistem, până la 8 plăci pentru periferice Noi conectori pentru rate de transfer ridicate Interfață PCIe: până la 16 benzi de comunicație Interfață Serial ATA (SATA) Interfață USB: 2.0 sau 3.0 Interfață Ethernet: 10 Gbiți/s Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 64

CompactPCI (8) Avantaje: Se utilizează aceleași circuite și module software ca și la sistemele PCI (PCIe) de birou Circuitele PCI (PCIe) au costuri reduse Aplicații: Comunicații de date Automatizări industriale Sisteme de achiziții de date în timp real Sisteme militare Sisteme de calcul dedicate (03-3) 06.11.2018 65