Tài liệu Thiết bị ngoại vi và ghép nối . chương 2 pptx

2 giao thức ghép nối Interfacing Protocols Bao gồm: - Giao thức ghép nối - Đặc điểm lập trình I/O 2.1.. Signals: Khi thiết kế, xây dựng ghép nối máy tính, cần chú ý đặc biệt tới tín hi

Trang 1

P&I-Ch2: Protocols 1

ch 2 giao thức ghép nối

(Interfacing Protocols)

Bao gồm:

- Giao thức ghép nối

- Đặc điểm lập trình I/O

2.1 Interface Protocols:

• K/n: Là các qui định:

– Signals, cable, port, connector…

– Data format

– Rate

– Error detection & correction

– Command & Response set

– Scenario (kịch bản)

ISO 7 layer Model (Ref Computer networks)

Có thể phân chia thành 2 nhóm chính:

• Transport-Oriented Protocols (1 4) (!!!)

– PhysicAL(wire, cable, connector, port), DataLink (CRC,

CS, Token), NetWork (Comm 2 networks ), Transport

(Err-protected raw infor),

• Application-Oriented Protocols (5 7):

– Session(Opening, End), Presentation (Common

Language) và Application (Read/Write, Start/Stop,

FileTransfer)

Trang 2

2.1 Interface Protocols: 2.1.1 Signals:

Khi thiết kế, xây dựng ghép nối máy tính, cần chú ý

đặc biệt tới tín hiệu theo các yêu cầu:

• Analog/Digital - discrete?

• Digi: trạng tháI của sự vật, hiện tượng… format,

ser/par, mức logic…

• Ana: ỏp/dũng điện, dải đo, độ phõn ly, thời gian tỏc

động, độ chớnh xỏc, độ lặp lại…gia tri do

• Thiết bị thông minh: Tùy cấp độ: giưa desktop và

ES hay EM với device

• Hơn 1 thiết bị? => bus/mạng hay không ? => dùng bit

(trường) địa chỉ - tùy từng mặt cắt

• Nếu dùng bus => Standard bus hay không

(ISA, I2C, USB Hay các bus trên chuẩn

RS485)?

• IDE và LPT - mode 0 cables là bus? tại

sao?

• Khoảng cách: Xa /gần => Serial vs

Parallel, có liên quan tốc độ

• Xa: Daisy chain cho t/h hoặc nguồn cấp

• Các tín hiệu điều khiển và trạng thái:

– Control signals

– Status signals

– Handshaking signals - bắt tay

Trang 3

• Daisy chain:

– Nối các thiết bị có khoảng cách từ vài đến vài chục m,

output của port (module) thứ n nối với input của n+1

Đặc biệt ở các Field Buses, có thể lên tới kms

– Dùng cho tín hiệu (// & nt), nguồn cung cấp, handshake

– Ví dụ bảng điện tử, 74HC595, A6276, TL7059…

• VÝ dô 1: PC-LPT handshaking:

PC

LPT port

Line Printer

SLCT SLTC_in

H×nh 2.1.a LPT handshake

Signal

Trang 4

• Ví dụ 2: PC Comm-Modem handshaking - ch.5 Tuy

nhiên có thể bắt tay bằng ký tự, không dùng t/h

RTS CTS

DTR DSR

PC 1

Comm

Port

Modem

or

PC 2

Comm

Port

Hình 2.1.b CommPort Handshake Signals

•Phương pháp biến đổi tín hiệu: biên, tần, pha,

dòng, quang (cáp quang, Ir)

• T/c vật lý của tớn hiệu: là hàm của thời gian, mức ỏp/dũng

• Direction: In/Out, chỳ ý về chiều của dũng điện

• Voltage/Current/Optical/wave

• Chỳ ý Input Voltage: -0.5V => +0.5V so với nguồn cấp Nếu

dải ỏp lớn hơn phải dựng diode bảo vệ Vớ dụ bằng hỡnh ảnh

• Mức điện ỏp: Mức ỏp? (TTL ? (transistor transistor logic- [0 0.8V/

2 5V]) , 12V/ 24V/48V )

• Single End (đơn cực) vs Differential (vi sai) signals:

• Single End signal:

• Tớn hiệu là điện thế so với 1 thế chuẩn, thường là

Gnd, ( 0 Volt)

• Vớ dụ: Cỏc tớn hiệu trờn bus (data, addr, control),

Centronics port, RS232 ports

• Cú n tớn hiệu => cần cú ớt nhất n+1 dõy dẫn

• Nhạy cảm với nhiễu, tốc độ thấp hơn so với cựng

chuẩn

Trang 5

• Differential Signal: Tín hiệu vi sai

– N tín hiệu => 2 n dây dẫn Ở phía thu:

• (Va-Vb) > 100mV => logic 1, tùy thuộc chuẩn được áp dụng

• (Va-Vb)<-100mV logic 0

– Thu: Nếu 2 dây có cùng kích thước, độ dài, trở kháng và gần nhau, thì

mọi thành phần giống nhau trên 2 sợi A và B được loại trừ => chịu

được nhiễu rất tốt vì phía thu:

• Uin=k(Va-Vb) => những thành phần giống nhau được loại bỏ.

– Khoảng cách lớn, tốc độ cao.

– IC: SN75176 của TI là ví dụ

– Địa chỉ ứng dụng: USB cable, Profi Bus…

• Ví dụ đối chứng:

– RS232: đơn cực, 9600bps chỉ dẫn xa được 100

feet (33m)

• Mouse, … ghép nối các thiết bị trong PTN, test…

• Profibus, USB, Ethernet dùng biến áp xung…

• Có thể dùng dây không bọc kim

Trang 6

• Khả năng phối hợp tải - dòng điện ra: (Fan Out,

Loading):

+ Number of Standard/LS TTL loads, chú ý chiều

dòng điện + Sink: dòng vào – LowLevel, (cỡ mA), +

Source: dòng ra – HighLevel, mA/uA.(H 2.1.c)

• Nối chung/ghép nối bus đơn giản: 3 state (Hi Z), open

collector (Open Drain), Mux – dồn kênh, Switch - khóa.

• Hot swap – hot plugible: Y/c Vcc và t/h ( www.atmel.com

)

• Cách ly (isolation): Relay, Opto Coupler, IrLED

• Bus Slot, Connector, chuẩn, số chân (pin)

Trang 7

H 2.1d Open Collector Nếu là FET, so called

Open Drain

Sơ đồ cách ly quang học đ/v tín hiệu In/Out:

Hỡnh 2.2 Opto Coupler

Trang 8

• Connectors:

– D shell: DB9, DB25,

– DIN,

Cable & Connectors:

Hình 2.3.a Connectors

• Cable:

• Flat,

• Coaxial,

• Shield: cho tớn hiệu hoặc

nguồn cấp (!)

• Twisted Pair: Cat 5, Cat

6…

• Normal: vi sai

• Optical Fiber

Hình 2.3.b Optical Connector & Sơ đồ:

Trang 9

Hình 2.3.c Sợi cáp quang:

2.1 Interface Protocols: 2.1.2 Format số liệu:

• Thông tin được định dạng theo: binary/hex (ASCII)

- Ví dụ: 1 số đo nhiệt độ 12bit, dảI giá trị 0 đến 999oC Khi lưu

trong CSDL, truyền tin:

+ binary: 12 bit ( 1,5 byte), tiết kiệm bộ nhớ, thời gian truyền

+ ASCII: 3 characters, dễ quản trị: kiểm soát sai số, hiện thị

• Lượng tin lớn => khi trao đổi (với DAS, PLC, Digi-Oscilloscope,

GPS, TelSat ) ẻ ‘đóng gói’ số liệu (packaging)

Mỗi gói tin (packet) gồm 3 phần:

• Header: [có thể có: tên bản tin, tên gói, số thứ tự, ký tự bắt tay,

ký tự đồng bộ, số ký tự/ byte trong gói tin ], không mang tin.

• Content: nội dung tin - mang thông tin.

• Tailer: M∙ bắt tay kết thúc, [m∙ kiểm tra lỗi] - không mang tin

Ví dụ: HDC, FDC: Full Sector: gap - 5 byte ID field - 2 byte ID

CRC - gap - data field: 512 byte - 2 byte CRC.

Trang 10

• Byte số liệu/character/frame: (truyền không đồng bộ,

RS-232, RS-485, RS-422 ): ký tự hay byte đ−ợc định

dạng thành 1 frame:

• 1 start bit = 0,

• 5/6/7/8 data bit, D0 first,

• [parity: Even/ Odd],

• 1 / [1.5 / 2] stop bit = 1(s).

Hình 2.3.d USB data packet format

2.1.3 Tốc độ và khoảng cách trao đổi thông tin:

• Xuất phỏt từ: Nhu cầu trao đổi thụng tin của hệ (tốc độ và khoảng

cỏch) => chọn kiểu truyền thớch hợp, cú liờn quan tới t/h:

• Chỉ ra ”bottle-neck”, khắc phục được => xuất hiện hiện bottle

neck, ở mức độ thấp hơn,

• Phụ thuộc Khoảng cỏch - tớch số (k/c và tốc độ)

• Nhiễu: theo cụng thức Shannon: bps = BW log2 (1+P/N) Với

BW: bandwidth, P/N tỷ số cụng suất tớn hiệu/ nhiễu (not a dB

ratio)

• Đường truyền: (cụng nghiệp), đường truyền (cỏp đồng, quang,

wireless: radio, infrared),

• Synchronous/Asynchronous?,

• Modulation/Demodulation => tốc độ bao nhiờu kbps/kBps?

Vớ dụ: LPT: SPP mode: 50 100kBps - software, ECP: 2 4 MBps - DMA

LAN Ethernet – IEEE 802.3: 10/100 Mbps dual speed

RS232: 2400/ 4800/ 9600/ 19200 bps

Trang 11

2.1 Interface Protocols:

2.1.4 Kiểm tra, sửa lỗi, nâng cao độ tin cậy:

- Khi trao đổi thụng tin thường hay gõy ra lỗi, đặc biệt truyền xa/

chuyển đổi t/h Nhiều phương phỏp (Hardware, Software) hỗ

trợ để kiểm tra:

- [Block] check sum - BCC, phần mềm: tớnh tổng của tất cả cỏc ký

tự, cỏc byte Kết quả cú thể: 1 byte wo carry, phộp XOR, 2 byte

w/wo hoặc lấy bự 2 (vớ dụ BIOS ROM Ext BIOS started @

chẵn 2K, 2 ụ đầu là mó 55h và AAh, độ dài của mảng ROM

BIOS đú tớnh theo kiểu 1count – 512 byte; checksum bự 2 sao

cho tổng của tất cả cỏc byte và mó checksum luụn bằng zero)

- CRC, ECC, vi mạch/ software - subroutine

- Parity, 1 hoặc 2 chiều

- Redundancy (RAID), thừa dư: trao đổi nội dung số liệu hơn 1 lần

và so sỏnh

Case study: Barcode Phương phỏp mó húa, giải mó và kiểm tra lỗi

2.1.4 Kiểm tra, sửa lỗi, nâng cao độ tin cậy:

• Bar Code: EAN 13, CODE 39 (Intermec), CODE 128 (Zebra),

UPC

• Case study: EAN 13 (European article numbering)

- Encoding: AAA BBBBB CCCC D; 4 độ dày vạch, 6

vạch/digit (b&w)

- A(National): VN 893, CN 690-692, JP 45-49, GE 400-440,

RU 460-469

- B: com/ org

- C: Product

- D - Check sum, right most: (right to left):

- 10 - [(D2*3 + D3*1 + D4*3 + D5*1 + D13*1)mod10]

Vớ dụ: 893 12345 1234 7

• CODE 128, Zebra, check sum modulo 103

Trang 12

2.1.5 Command & Response (Result/Reaction) set:

• Khi ghép Intelligent Devices (Computerized devices

-mouse, KB, Printer, modem, FDC, HDC, RTU ) có

nhiều tham số, chế độ hoạt động => xây dựng bộ lệnh

(command set) và thông tin trả về (response set)

• Các câu lệnh phần mềm => bớt tín hiệu và cổng phần

cứng.

• Tập hợp các yêu cầu từ CS - command set,

• Tập hợp các trả lời, trạng thái - result/response/

reaction set.

• Data down/up

• Syntax of command and response (structure and

grammar).

2.1.5 Command & Response (Result) set:

Case Studies: lệnh AT và Response Hayes MODEMs:

Lệnh: ATDT 1260 ? ' Với nhiều Options

Trả lời (reaction) OK [Error] Connect @19200 (result)

Lệnh FX Printer: Esc * m, n1, n2; Sel Graph Mode

Tham khảo các bộ lệnh của các thiết bị chuyên dùng: GPS,

Gyrocompass, Digital Oscilloscope, SAGEM, TelSat,

Programmer (Hi-Lo System All-11P2)

Trang 13

2.1.5 Command & Response (Result) set:

1 command/response - mó bắt đầu ký tự riờng như @ / # / $/ AT

- mó lệnh, 1 3 bytes/ char,

- tham số lệnh, 1 n bytes,

- mó kiểm tra lỗi check sum, CRC (dễ xử lý)

- mó kết thỳc, ký tự riờng thường cú cấu trỳc:

Cú thờm cỏc mó (ký tự) đối thoại/ reaction, [dựng] ký tự điều khiển

của ASCII như: ENQ, ACK, NACK, Bell, OK, ERR, BUSY

2.1.6 Kịch bản đối thoại – Scenario:

• Liệt kờ cỏc trường

hợp cú thể rồi ỏp

cỏc phộp xử lý

tương ứng để đảm

bảo việc ghộp nối:

khụng mất tin, thừa

tin, quẩn, treo

• Thường xõy dựng:

Step List hoặc

Chart:

• Time Out !

Hinh 2.4 Scenario Chart

ACK NAK nothing

Trang 14

H×nh 2.5 USB Interlayer Interconnection Model

Trang 15

Memory Mapped IOs:

o IOs chung với Mem trong MemSpace => chiếm vùng

nhớ, tốn vựng nhớ

o CPU xử lý các cổng IO bằng các lệnh nh− đ/v mem

IO Mapped IOs: (Z80, x86 ):

oKhông chiếm không gian nhớ,

oCPU chỉ thực hiện 2 lệnh: IN và OUT

•

x86 CPU’s IO map: IO mapped IOs, 16 Addr bit IO

=> 64Kilo IO locations.

PC’s IO map:

oIO Mapped IOs,

2.2.2 Lệnh In/Out: (x86) :

• Lệnh IN và OUT: chỉ dùng các thanh ghi Accumulator:

8 bit: AL, 16 bit: AX và 32 bit: EAX.

• Chế độ địa chỉ:

o Direct: for IO space: 0 0FFh

out 23Eh, ax ; lệnh sai, IOaddr>255

o Indirect: for IO space 0 0FFFFh, via dx register

Ví dụ: mov dx, 378h ; PLT port Addr

mov dx,3F8h ;Comm 1 port

Trang 16

Phụ lục PC’s I/O Port Map

000-00F DMA Controller, đkh truy

nhập trực tiếp 1, 4 kênh 8 bit 020-02F Master PIC 8259A, ưu tiên

ngắt 1, IRQ0 –IRQ7 040-05F PIT, Programmable Interval Timer

060-06F Keyboard Port,

070-071 Real Time Clock và 64 byte

CMOS-RAM 080-083 DMA Page Register, giữ địa chỉ

cao

bit

Trang 17

210-217 Expansion Card Ports

220-26F AVAILABLE

278-27F Parallel Port 2/ LPT2

280-2A1 AVAILABLE

2A2-2A3 clock

2B0-2DF EGA/Video

2E2-2E3 Data Acquisition Adapter (AT)

2E8-2EF Serial Port COM4

2F0-2F7 Reserved

2F8-2FF Serial Port COM2

300-31F Prototype Adapter, cho người dùng

phát triển 320-32F AVAILABLE

340-35F AVAILABLE

360-36F Network, LAN adaptor

370-377 Floppy Disk Controller

378-37F Parallel Port 1, LPT1

380-38F SDLC Adapter

390-39F Cluster Adapter

3A0-3AF reserved

3B0-3BF Monochrome Adapter

3BC-3BF Parallel Port 3

Trang 18

3C0-3CF EGA/VGA

3D0-3DF Color Graphics Adapter

3E8-3EF Serial Port COM3

3F0-3F7 Floppy Disk Controller

3F8-3FF Serial Port COM1

• Soundblaster cards usually use I/O ports 220-22F

• Data acquisition cards frequently use 300-31F.

Bài tập chương 2

2.1 Tham khảo một số giao thức : MODBUS (AEG)

modbus.org, ProfiBus, ASI (Siemens), RTU ASCII (ABB),

I 2 C từ đó thiết kế đồ án môn học: hệ thu thập - điều khiển

phân tán (Mini SCADA)

2.2 USB Protocol

2.3 Thiết kế giao thức truyền file gi ữ a 2 máy tính (LPT/

Comm).

Tiêu đề	Giao thức ghép nối
Trường học	University of Information Technology
Chuyên ngành	Computer Science
Thể loại	Bài giảng
Thành phố	Ho Chi Minh City

Định dạng
Số trang	18
Dung lượng	847,02 KB