Slide thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối chương 2 giao thức ghép nối

2 GIAO THỨC GHÉP NỐI Interfacing Protocols Bao gồm: - Giao thức ghép nối - Đặc điểm lập trình I/O P&I-Ch2: Protocols 2 2.1.. Signals: Khi thiết kế, xây dựng ghép nối máy tính, cần chỳ ý

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 quy định:

– Signals, cable, port, connector, jack…

– 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) vµ

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 chỳ ý đặc biệt tới tín hiệu theo các yêu cầu:

Đối tượng: Analog/Digital - discrete?

Digi: trạng tháI của sự vật, hiện tượng… format, ser/par, mức logic…

Ana (vật lý): t, F, m, flow, level => ỏp/dũng điện, tần, biờn pha, R…, dải đo, độ phõn ly, thời gian tỏc động, độ chớnh xỏc, độ lặp lại…gia tri do

Nhóm đối týợng (In/Out): cựng kiểu hay vựng địa lý Thiết bị thông minh: Tùy cấp độ: giưa desktop và ES hay

EM với device.

Centralized or distributed topology 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…

2.1 Interface Protocols: 2.1.1 Signals:

• Ví dụ 1: PC-LPT handshaking:

PC

LPT port

Line Printer

SLCT SLTC_in

Hình 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

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 tín hiệu: là hàm của thời gian, mức áp/dòng

• Direction: In/Out, chú ý về chiều của dòng điện

• Voltage/Current/Optical/wave

• Chú ý Input Voltage: -0.6V => +0.6V so với nguồn cấp Nếu dải

áp lớn hơn phải dùng diode bảo vệ Ví dụ bằng hình ảnh Chú ý về nguồn cấp và mức tín hiệu ngoài, VDD=3.3V và tín hiệu 0 – 5V

• Mức điện áp: Mức áp? (TTL ? (transistor transistor logic- [0 0.8V/ 2 5V]) , 12V/ 24V/48V )

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

• Single End signal:

• Tín hiệu là điện thế so với 1 thế chuẩn, thường là Gnd, ( 0 Volt)

• Ví dụ: Các tín hiệu trên bus (data, addr, control), Centronics port/LPT, RS-232 ports, IDEs

• Có n tín hiệu => cần có ít nhất n+1 dây dẫn

• Nhạy cảm với nhiễu, tốc độ thấp hơn so với cùng 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, Ethernet Cat 5 Cable

• Ví dụ đối chứng:

– RS232: đơn cực, ±12V, 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

– RS485, ± 5V, 1Mbps, kc lên đến 5000 feet, 1,66km

– Ví dụ:

• USB, các thiết bị ngoại vi quan trọng – Server’s HDD Cables

• Field Bus: bus trong môi trường công nghiệp, MOD Bus, Profi Bus…

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

Biến áp xung

• 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 (Isolator) -Trong mụi trường cụng nghiệp, Hi Volt and/or Hi Current

- Đường dõy dài, dễ cảm ứng nhiễu/sột…

- Để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị - In/Out

- Yờu cầu phải cỏch ly nguồn cấp và Gnd(s)

Trang 8

• Connectors:

– D shell: DB9, DB25,

– DIN,

Cable & Connectors:

H×nh 2.3.a Connectors

• Cable:

• Flat,

• Coaxial,

• Shield: cho tín 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:

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 )  ‘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: Mã bắt tay kết thúc, [mã 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.

FTP, Kermit, X-Modem Protocols: 128[256] B/pack.

Trang 10

Byte số liệu/character/frame: (truyền không đồng bộ, RS-232, RS-485, RS-422 ): ký tự hay byte được 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 INTERFACE PROTOCOLS:

2.1.3 Tốc độ và khoảng cách trao đổi thông tin:

• Xuất phát từ: Nhu cầu trao đổi thông tin của hệ (tốc độ và khoảng cách) => chọn kiểu truyền thích hợp, có liên quan tới t/h:

• Chỉ ra ”bottle-neck”, khắc phục được => xuất hiện hiện bottle neck, ở mức độ thấp hơn,

• Phụ thuộc Khoảng cách - tích số (k/c và tốc độ)

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

BW: bandwidth, P/N tỷ số công suất tín hiệu/ nhiễu (not a dB ratio)

• Đường truyền: (công nghiệp), đường truyền (cáp đồng, quang, wireless: radio, infrared),

• Synchronous/Asynchronous?,

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

Ví 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

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

- Khi trao đổi thông tin thường hay gây ra lỗi, đặc biệt truyền xa/

chuyển đổi t/h Nhiều phương pháp (Hardware, Software) hỗ trợ để kiểm tra:

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

tự, các byte Kết quả có thể: 1 byte wo carry, phép XOR, 2 byte w/wo hoặc lấy bù 2 (ví dụ BIOS ROM Ext BIOS started @ chẵn 2K, 2 ô đầu là mã 55h và AAh, độ dài của mảng ROM BIOS đó tính theo kiểu 1count – 512 byte; checksum bù 2 sao cho tổng của tất cả các byte và mã checksum luôn 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 sánh

Case study: Barcode Phương pháp mã hóa, giải mã và kiểm tra lỗi

• 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]

Ví dụ: 893 12345 1234 7

• CODE 128, Zebra, check sum modulo 103

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

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 - mã bắt đầu ký tự riêng như @ / # / $/ AT

- mã lệnh, 1 3 bytes/ char,

- tham số lệnh, 1 n bytes,

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

- mã kết thúc, ký tự riêng thường có cấu trúc:

Có thêm các mã (ký tự) đối thoại/ reaction, [dùng] ký tự điều khiển của ASCII như: ENQ, ACK, NACK, Bell, OK, ERR, BUSY

2.1.6 Scenario:

• Liệt kê các trường hợp có thể rồi áp các phép xử lý tương ứng để đảm bảo việc ghép nối:

không mất tin, thừa tin, quẩn, treo, hỏng

• Thường xây 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

Bài tập

• Xây dựng giải pháp: topology protocol, (kết hợp với Ch4)

– Game show Ai là triệu phú, phần thăm dò ý kiến khán giả

• Số khán giả upto 100

• Chiều dài tín hiệu: 200-500m

• Ý kiến khán giả: 4 options A, B, C và D

– Game show Đấu trường 100 – Biểu quyết Đại biểu QH – Thu thập thông tin đa điểm đo lường (nhiệt độ đa điểm), trạng thái (ON/OFF) MCB

– Hẹn trình bày 24/2, anyone/thing

Trang 15

2.2 PHÂN MIỀN VÀ LỆNH I/O: 2.2.1 IO Mapping:

Hình 2.6 Phân miền các cổng I/O

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 như đ/v mem

ã IO Mapped IOs: (Z80, x86 ):

o Không chiếm không gian nhớ,

o CPU chỉ thực hiện 2 lệnh: IN và OUT

=> 64Kilo IO locations.

o IO Mapped IOs,

o Chỉ dùng 10 lowest addr bit, A0 A9 => 1 kilo IO locations

Soi gương – 1st kilo Mirrored với 63 kilo còn lại,

Mỗi IO port chiếm nhiều địa chỉ (như PIC, PIT, PPI )

=> thiếu IO space Sẽ dùng thêm kiểu Mem Mapped IOs.

Trang 16

2.2.2 LÖnh 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

Ví dụ: in al,60h ; Read KB port

out 23Eh, ax ; lệnh sai, IOaddr>255 out 61h, al ; beep, set/reset key flag

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

Ví dụ: mov dx, 378h ; PLT port Addr

mov al, ‘A’ ;41h/ 65d out dx, al ; 'A' ==> Printer mov dx,3F8h ;Comm 1 port

Phụ lục PC’s I/O Port Map

nhập trực tiếp 1, 4 kênh 8 bit

ngắt 1, IRQ0 –IRQ7

CMOS-RAM

cao

Trang 17

bit

300-31F Prototype Adapter, cho người dùng

phát triển

Trang 18

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

• Data acquisition cards frequently use 300-31F.

Trang 19

BÀI TẬP CHƯƠNG 2

2.1 Tham khảo một số giao thức: MODBUS (AEG) modbus.org, ProfiBus, ASI (Siemens), RTU ASCII (ABB), I2C 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 giữa 2 máy tính (LPT/

Comm).

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	1,51 MB