Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия - Михаил Гук

Параметры сигналов зарубежных АТС и выпускаемых для них телефонов несколько отличаются от отечественных: номинальное напряжение — 40 В, вызывные импульсы — до 90 В, уровень звукового сигнала при разговоре ниже. Из-за этих различий, например, абонент отечественного телефона хуже слышит абонента импортного телефона, а абонент импортного телефона слышит первого лучше. Из-за слишком большой амплитуды вызывного напряжения (на некоторых АТС она может достигать 200 В) аппараты могут выходить из строя. Защита линии от перенапряжения с помощью стабилитронов или варисторов в этом случае не позволит дозвониться до «защищенного» абонента: при большой амплитуде импульсов ток потечет через ограничитель и станция зафиксирует это как снятие трубки. Далее подается обычное напряжение (ниже ограничения), ток прекращается и станция фиксирует отбой. Выходом в такой ситуации может быть применение схемы «стабилизатора вызывного напряжения» (рис. 10.8), с помощью которой автор сумел подключить модем с защитой от перенапряжений к линии от «ретивой» АТС. Любопытным оказался факт, что ограничитель напряжения был спрятан в кабеле, прилагавшемся к модему (с виду — обычный шнур с вилками RJ-11). Схема не претендует на оптимальность решения, но работает.

Рис. 10.8. Стабилизатор вызывного напряжения

На линиях отечественных АТС рекомендуется использовать оборудование, специально адаптированное для нашей страны (и сертифицированное Министерством связи).

Глава 11

Вспомогательные последовательные интерфейсы и шины

В этой главе рассматриваются интерфейсы и шины, предназначенные, в основном, для «внутреннего использования». В этом качестве I²C используется для идентификации модулей DIMM, информация о которых хранится в маленьких микросхемах энергонезависимой памяти. В ряде современных системных плат присутствует шина SMBus, основанная на том же интерфейсе I²C. Эта шина используется для считывания идентификационной информации модулей памяти, по ней же осуществляется доступ к памяти идентификаторов и средствам термоконтроля процессоров Xeon. Она же входит и в состав сигналов слота CNR (слот подключения расширений аудиокодека и телекоммуникаций) для конфигурирования аудио- и коммуникационного оборудования. По интерфейсу I²C, входящему в интерфейс VESA DDC1/2B, современные мониторы обмениваются конфигурационной и управляющей информацией с графическим адаптером (а через него и с центральным процессором). Канал DDC входит в обычный 15-контактный аналоговый интерфейс VGA, его развитие EVC и цифровые интерфейсы P&D, DVI и DFP. А при поддержке графическим адаптером и монитором интерфейса DDC1/2AB пользователь теоретически получает возможность внешнего подключения дополнительных устройств по шине ACCESS.Bus через разъем, расположенный на мониторе (практически таких мониторов встречать не доводилось). Этими устройствами могут быть устройства позиционирования (планшеты, мыши), считыватели карт, штрих-кодов и т. п. Последовательная шина ACCESS.Bus, основанная на I²C, разработана фирмой DEC для взаимодействия компьютера с его аксессуарами — например, монитором (канал VESA DDC), интеллектуальными источниками питания (Smart Battery) и т. п. С помощью интерфейса I²C можно загружать программы (firmware) в энергонезависимую память (флэш) ряда популярных микроконтроллеров. Интерфейс I²C обеспечивает скорость передачи данных до 100 и даже до 400 Кбит/с, при этом он гораздо проще и дешевле интерфейса RS-232C с его «потолком» 115 Кбит/с и позволяет легко подключать несколько устройств, с поддержкой «горячего» подключения/отключения и технологии PnP. Недавно в спецификацию PC была введена высокая скорость передачи, до 3,4 Мбит/с, но на такой скорости могут работать лишь новые микросхемы со специальной аппаратной поддержкой интерфейса.

Интерфейс SMI в явном виде в ПК встречается нечасто, он «родом» из коммуникационной аппаратуры Fast Ethernet, где широко используется для управления модулями физического уровня (в том числе и сменными модулями концентраторов).

Интерфейсы SPI и JTAG встречаются в аппаратуре, основанной на микроконтроллерах и конфигурируемой логике, — наиболее часто они используются для загрузки конфигурационной информации (и кодов программ). Для тех же целей применяются и другие трехпроводные и четырехпроводные интерфейсы, но здесь мы ограничимся лишь упоминанием об их существовании.

11.1. Последовательные шины на базе I²C

Интерфейс последовательной шины I²C, введенной фирмой Philips как простое и дешевое средство сопряжения микросхем бытовой электроники, стал фактическим промышленным стандартом для устройств различного назначения. Он очень удобен для обмена небольшими объемами данных, например, для конфигурации различных устройств. Спецификация шины I²C определяет протокол двусторонней передачи данных по двум сигнальным линиям. Приложения этого протокола могут быть самыми разнообразными, информационная «начинка» зависит от конкретных применений. На основе интерфейса I²C построены шины ACCESS.bus и SMBus, рассмотренные ниже (о работе интерфейса I²C с микросхемами памяти см. п. 7.3.3).

11.1.1. Шина I²C

Шина Inter IC Bus (шина соединения микросхем), или, кратко, I²C, — синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами. Шина ориентирована на 8-битные передачи. Передача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широковещательной. Уровни сигналов — стандартные, совместимые с широко распространенной логикой ТТЛ, КМОП, N-МОП, как с традиционным питанием +5 В, так и с низковольтным (3,3 В и ниже). Микросхемы с интерфейсом I²C, как правило, имеют аппаратную поддержку протокольных функций. Протокол позволяет взаимодействовать на одной шине устройствам с различным быстродействием интерфейса. Требования к временным параметрам сигналов весьма свободные, так что на компьютерах и микроконтроллерах, не имеющих аппаратной поддержки шины I²C, ее протокол может быть реализован даже чисто программно.

Шина I²C используется уже давно, ее официальная версия 1.0 вышла в 1992 г. По сравнению с предшествующими (черновыми) версиями, здесь отсутствует (как запутанная и неиспользуемая) возможность программного задания адреса ведомого устройства. Также отсутствует низкоскоростной режим (Low speed), являющийся частным случаем стандартного режима — Standard Mode (S) — со скоростью 0-100 Кбит/с. В версии 1.0 появились определение быстрого режима — Fast Mode (F) — со скоростью 0-400 Кбит/с и связанные с ним изменения требований к форме сигнала и фильтрации помех. Также здесь веден режим 10-битной адресации устройств. Версия 2.0 вышла в 1998 г., когда интерфейс I²C стал фактически промышленным стандартом, использующимся в большом числе различных ИС. Здесь появился новый высокоскоростной режим — High speed (Hs), — в котором скорость передачи может достигать 3,4 Мбит/с. Прежние режимы F и S логически работают одинаково, и для них используют обобщенное обозначение F/S. В этой версии пересмотрены требования к уровням и форме сигналов с учетом высоких скоростей и возможности подключения низковольтных устройств с питанием 2 В и ниже. В версии 2.1 (2000 г.) уточнены некоторые моменты, касающиеся временных диаграмм в режиме Hs. Приведенная здесь информация основана на спецификации шины I²C версии 2.1, доступной на сайте www.philips.com. Параметры интерфейсных сигналов приводятся в п. 11.1.4, где они сопоставляются с требованиями SMBus и ACCESS.Bus.

Интерфейс I²C использует две сигнальные линии: данных SDA (Serial Data) и синхронизации SCL (Serial Clock). В обменах участвуют два устройства — ведущее (master) и ведомое (slave). Ведущее и ведомое устройства могут выступать в роли и передатчика, и приемника данных. Протокол допускает наличие на шине нескольких ведущих устройств и имеет простой механизм арбитража (разрешения коллизий).

Протокол обмена для обычных устройств F/S иллюстрирует рис. 11.1. Обе сигнальные линии имеют нагрузочные резисторы, «подтягивающие» их уровень к напряжению питания. На устройстве к каждой линии подключен приемник и передатчик типа «открытый коллектор» («открытый сток»), у ведомого устройства передатчик на линии SCL не обязателен. Все одноименные передатчики соединяются по схеме «Монтажное И»: уровень в линии будет высоким, если все передатчики пассивны, и низким, если хоть у одного передатчика выходной транзистор открыт. В покое (Idle, исходное состояние шины) все передатчики пассивны. Синхронизацию задает ведущее устройство, но ведомое, если оно не имеет достаточного быстродействия, может замедлять обмен данными.