Bài giảng Thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối - Chương 2: Giao thức ghép nối - Bùi Quốc Anh
CH. 2 GIAO THỨC GHÉP NỐI
(Interfacing Protocols)
Bao gồm:
- Giao thức ghép nối
- Đặc điểm lập trình I/O
P&I-Ch2: Protocols
1
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)
P&I-Ch2: Protocols
2
1
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
P&I-Ch2: Protocols
3
• 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
P&I-Ch2: Protocols
4
2
• 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…
P&I-Ch2: Protocols
5
2.1. Interface Protocols: 2.1.1. Signals:
• Ví dụ 1: PC-LPT handshaking:
PC
SLCT
SLTC_in
Line Printer
LPT port
Hình 2.1.a. LPT handshake
Signal
P&I-Ch2: Protocols
6
3
2.1. Interface Protocols: 2.1.1. Signals:
• Ví dụ 2: PC Comm-Modem handshaking - ch.5. Tuy nhiên
có thể bắt tay bằng ký tự, không dùng t/h
RTS
CTS
PC 1
Modem
or
Comm
Port
PC 2
Comm
Port
DTR
DSR
Hình 2.1.b. CommPort Handshake Signals
Phương pháp biến đổi tín hiệu: biên, tần, pha, dòng, quang
(cáp quang, Ir)
P&I-Ch2: Protocols
7
2.1. Interface Protocols: 2.1.1. Signals:
• 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 nhiễP&uI,-Cthố2:cProđtoộcotlshấp hơn so với cùng chuẩn
8
4
• 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
P&I-Ch2: Protocols
9
• 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…
P&I-Ch2: Protocols
10
5
• 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 (
• Cách ly (isolation): Relay, Opto Coupler – IrLED.
Biến áp xung...
• Bus Slot, Connector, chuẩn, số chân (pin)
P&I-Ch2: Protocols
11
P&I-Ch2: Protocols
12
6
H. 2.1d. Open Collector. Nếu là FET, so called
Open Drain
P&I-Ch2: Protocols
13
S¬ ®å c¸ch ly quang hä c ®/v tÝn hiÖu In/Out:
Hình 2.2. Opto Coupler (Isolator)
-Trong môi trường công nghiệp, Hi Volt and/or Hi Current
- Đường dây dài, dễ cảm ứng nhiễu/sét…
- Để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị - In/Out
- Yêu cầu phải cách ly nguồn cấp và Gnd(s)
P&I-Ch2: Protocols
14
7
Cable & Connectors:
• Connectors:
– D shell: DB9, DB25,...
– DIN,
• Cable:
• Flat,
• Coaxial,
• Shield: cho tín hiệu hoặc
nguồn cấp (!)
• Twisted Pair: Cat. 5, Cat.
6…
• Normal: vi sai
• Optical Fiber...
H×nh 2.3.a. Connectors
P&I-Ch2: Protocols
15
Hình 2.3.b. Optical Connector & Sơ đồ:
P&I-Ch2: Protocols
16
8
Hình 2.3.c. Sợi cáp quang:
P&I-Ch2: Protocols
17
2.1. Interface Protocols: 2.1.2. Format data:
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.
P&I-Ch2: Protocols
18
9
Hình 2.3.d. USB data packet format
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).
P&I-Ch2: Protocols
19
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
P&I-Ch2: Protocols
20
10
2.1. Interface Protocols:
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 2l1ỗi
P&I-Ch2: Protocols
2.1. Interface Protocols:
2.1.4. Kiểm tra, sửa lại, 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]
Ví dụ: 893 12345 1234 7
• CODE 128, Zebra, check sum modulo 103
P&I-Ch2: Protocols
22
11
2.1. Interface Protocols:
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. Interface Protocols:
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)...
P&I-Ch2: Protocols
24
12
2.1. Interface Protocols:
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 ...
P&I-Ch2: Protocols
25
2.1. Interface Protocols:
2.1.6. Scenario:
• Liệt kê các trường
hợp có thể rồi áp
các phép xử lý
Master
ENQ
Slave
ACK
NAK
tương ứng để đảm
bảo việc ghép nối:
không mất tin, thừa
tin, quẩn, treo,
nothing
hỏng...
• Thường xây dựng:
Step List hoặc
Chart:
Hinh 2.4. Scenario Chart
• Time Out !
P&I-Ch2: Protocols
26
13
H×nh 2.5. USB Interlayer Interconnection Model
P&I-Ch2: Protocols
27
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
P&I-Ch2: Protocols
28
14
2.2. PHÂN MIỀN VÀ LỆNH I/O: 2.2.1. IO Mapping:
Hình 2.6. Phân miền các cổng I/O
29
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
x86 CPU’s IO map:
IO mapped IOs, 16 Addr bit IO
=> 64Kilo IO locations.
ã
PC’s IO map:
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.
P&I-Ch2: Protocols
30
15
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
out 23Eh, ax ;
lệnh sai, IOaddr>255
; Read KB port
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
in al,dx
;
P&I-Ch2: Protocols
31
Phụ lục PC’s I/O Port Map
Port (hex)
Port Assignments
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
060-06F
070-071
PIT, Programmable Interval Timer
Keyboard Port,
Real Time Clock và 64 byte
CMOS-RAM
080-083
DMA Page Register, giữ địa chỉ
cao
P&I-Ch2: Protocols
32
16
0A0-0AF
0C0-0CF
PIC #2, Bộ đkh ưu tiên ngắt
số 2, IRQ8 – IRQ15
DMAC #2, 3 kênh DRQ 16
bit
0E0-0EF
110-16F
170-17F
180-1EF
1F0-1FF
200-20F
reserved, để dành
AVAILABLE, để dành
Hard Drive 1 (AT)
AVAILABLE
Hard Drive 0 (AT)
Game Adapter
P&I-Ch2: Protocols
33
210-217
Expansion Card Ports
AVAILABLE
Parallel Port 2/ LPT2
AVAILABLE
clock
EGA/Video
Data Acquisition Adapter (AT)
Serial Port COM4
Reserved
Serial Port COM2
Prototype Adapter, cho người dùng
phát triển
220-26F
278-27F
280-2A1
2A2-2A3
2B0-2DF
2E2-2E3
2E8-2EF
2F0-2F7
2F8-2FF
300-31F
320-32F
AVAILABLE
P&I-Ch2: Protocols
34
17
340-35F
360-36F
370-377
378-37F
380-38F
390-39F
3A0-3AF
3B0-3BF
3BC-3BF
AVAILABLE
Network, LAN adaptor
Floppy Disk Controller
Parallel Port 1, LPT1
SDLC Adapter
Cluster Adapter
reserved
Monochrome Adapter
Parallel Port 3
P&I-Ch2: Protocols
35
3C0-3CF
3D0-3DF
3E8-3EF
3F0-3F7
3F8-3FF
EGA/VGA
Color Graphics Adapter
Serial Port COM3
Floppy Disk Controller
Serial Port COM1
• Soundblaster cards usually use I/O ports 220-22F
• Data acquisition cards frequently use 300-31F.
P&I-Ch2: Protocols
36
18
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).
P&I-Ch2: Protocols
37
19
19 trang
15080
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối - Chương 2: Giao thức ghép nối - Bùi Quốc Anh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_thiet_bi_ngoai_vi_va_ky_thuat_ghep_noi_chuong_2_gi.pdf
