Interfejsy komunikacyjne urządzeń

Interfejsy szeregowe

Interfejs szeregowy RS

Standard RS (Recommended Standard) jest zalecany jako standard szeregowej transmisji danych. Opracowany przez IEEE definiuje parametry elektryczne i funkcjonalne obwodów transmisyjnych złącza. Jest tradycyjnym stykiem interfejsu szeregowego zgodnym z zaleceniem CCITT V.24 (RS-232) umożliwiającym połączenie komputera klasy PC z modemem, stanowiąc jednocześnie normę wyjściową dla wielu innych interfejsów szeregowych. Maksymalna szybkość według standardu RS wynosi 24 kb/s. Wzorowany na normach EIA, obejmuje cztery podstawowe standardy transmisji: niesymetryczne RS-232C, RS-423A oraz różnicowe RS-422A i RS-485, o różnych szybkościach i zasięgach.

W większości standardów RS są zdefiniowane dwa typy transmisji: znakowa asynchroniczna, w której nadajnik i odbiornik pracują z tą samą częstotliwością, chociaż takty zegarowe nie są dokładnie zsynchronizowane, oraz synchroniczna, w której poszczególne bity są wprowadzane zgodnie z taktem nadawania (i odbioru). Transmisja synchroniczna jest bardziej efektywna ze względu na brak w transmitowanym ciągu danych bitów startu i stopu, nie przenoszących żadnej informacji użytkowej. RS-232C – standardowy interfejs szeregowy dla transmisji asynchronicznej i synchronicznej wprowadzony w 1969 r., określający sposób łączenia komputerów z modemami; definiuje linie, taktowanie i charakterystykę sygnałów. Maksymalna szybkość transmisji wynosi 24 kb/s przy długości linii 50 stóp (ok. 16 m). Zasięg transmisji nie jest określony jawnie, lecz przez dopuszczalną pojemność kabla (do 2500 pF) i przesunięcie fazy sygnału (nie może przekraczać 4% czasu nadawania jednego bitu).

• RS-232C jest funkcjonalnie zgodny ze standardami CCITT: V.24 (zestaw sygnałów i ich funkcje) oraz V.28 (charakterystyki elektryczne sygnałów). Zalecanie RS-232 opiera się na logice ujemnej (w odbiorniku stanowi binarnemu 1 przypisuje się napięcie od –3 V do –15 V, natomiast stanowi binarnemu 0 napięcie od +3 V do +15 V). Symbol C określa trzecią wersję standardu (1969 r.), przy czym przyjmuje się, że jeśli brak oznaczenia literowego, złącze komunikacyjne dotyczy wersji RS-232C. Istnieje również wersja zmodernizowana RS-232D, wprowadzająca zmiany kosmetyczne w parametrach oraz trzy nowe obwody (18, 21, 25).
• RS-422A – jeden z wariantów standardu interfejsu RS-232C polegający na wprowadzeniu zrównoważonej, różnicowej linii symetrycznej między nadajnikiem i odbiornikami sygnału. Pełna symetryzacja linii i urządzeń transmitujących umożliwia podniesienie szybkości transmisji ze 100 kb/s do 10 Mb/s. Typowym zastosowaniem jest transmisja danych z centralnego komputera (sterownika, węzła sieci) do wielu odległych (do 1200 m) urządzeń zewnętrznych i stacji roboczych. Tor transmisyjny zwykle tworzą pary współkrętnych przewodów zamknięte jednostronnie rezystorami dopasowującymi.
• RS-423A – standard interfejsu transmisji szeregowej, rozszerzenie RS-232C. Modyfikacja polega głównie na zdefiniowaniu obwodu transmisyjnego, składającego się z niesymetrycznego nadajnika, symetrycznego (różnicowego) odbiornika i linii transmisyjnej. Zmiana ta zwiększa zasięg transmisji i odporność linii na zakłócenia zewnętrzne. Typowa szybkość transmisji w tym standardzie wynosi 100 kb/s przy odległości 30 m i spada do 3 kb/s w zasięgu 1200 m.
• RS-485 – standard transmisji szeregowej wprowadzony w 1983 r. jako rozwinięcie standardu RS-422A. Zawiera wydzielony symetryczny i zrównoważony tor transmisyjny przeznaczony do podłączenia wielu odbiorników i nadajników sygnału do jednej linii. Nadajniki sygnału muszą być trójstanowe, a w danym przedziale czasu może pracować tylko jeden z nich – pozostałe są w stanie wysokiej impedancji (trzeci stan). Liczba urządzeń przyłączonych do wspólnego toru zależy od zastosowanych układów scalonych, zwykle ogranicza się do kilkudziesięciu urządzeń nadawczo-odbiorczych w jednym torze fizycznym.

Interfejs szeregowy HSSI

HSSI (High Speed Serial Interface) – prosty i szybki interfejs szeregowy dla telekomunikacyjnych łączy cyfrowych o podstawowej przepływności do 52 Mb/s (SONET). Opisany w standardzie EIA, określa łącze między urządzeniem końcowym DTE dla danych a urządzeniem komunikacyjnym DCE z zastosowaniem techniki potwierdzeń (handshake). Interfejs HSSI jest zrealizowany w technice ECL (Emiter Coupled Logic) z wykorzystaniem skrętki symetrycznej, z czasem propagacji ok. 25 ns dla maksymalnego zasięgu 15 m (między DTE i DCE). Interfejs HSSI jest promowany przez wielu producentów sieciowych.

Interfejs równoległy

W transmisji równoległej między komputerami lub innymi urządzeniami cyfrowymi wszystkie bity tworzące znak danych lub słowo maszynowe komputera są przesyłane synchronicznie i jednocześnie, przez wielokanałowe medium transmisyjne (kabel wielożyłowy, skrętka przewodów). W odróżnieniu od transmisji szeregowej długość połączenia w przekazach równoległych jest ograniczona zwykle do kilku metrów z uwagi na możliwość rozsynchronizowania sygnałów. Największą przepływność w transmisji równoległej uzyskano w standardzie HIPPI (1600 Mb/s).

Centronics – najprostszy, jednokierunkowy i naprzemienny interfejs równoległy działający z potwierdzeniem typu handshake. Stosowany typowo do przyłączania urządzeń zewnętrznych do komputerów klasy PC (drukarki, plotery). Maksymalny zasięg – kilka metrów przy szybkości do kilkuset bajtów na sekundę. SCSI (Small Computer System Interface) – uniwersalny, znormalizowany interfejs 8-bitowy zdefiniowany do komunikacji mikrokomputerów i szybkich komputerowych urządzeń zewnętrznych (pamięci dyskowe, mikrokomputery). Możliwa praca asynchroniczna (1,5 MB/s) i synchroniczna do szybkości 4 MB/s w zasięgu 6 m przy liniach asymetrycznych oraz do 25 m przy różnicowym sposobie przesyłania danych.

HIPPI (High Performance Parallel Interface) – technika stosowana głównie do równoległych (niekiedy szeregowych) połączeń interfejsowych między superkomputerami. Opracowany przez ANSI standard HIPPI obejmuje kilka wersji tego łącza z przeznaczeniem: do wymiany banków danych RAM, łączenia superkomputerów z hubami, routerami, serwerami dyskowymi, a także do kampusowej szeregowej transmisji między superkomputerami. Wersja standardowa HIPPI umożliwia jednokierunkową transmisję danych z szybkością 800 Mb/s (przez wieloparowy kabel miedziany o przepływności: 25 Mb/s x 32 bity = 800 Mb/s) w zasięgu do 25 m. Przekaz jednego 32-bitowego słowa wymaga 50-parowego kabla zawierającego wiązki 32 skrętek dla danych, 4 par przewodów do przesłania parzystości oraz kilku sygnałów sterowania z potwierdzeniem transmisji. Transmitowane bloki danych mogą mieć zmienną długość od 64 kB do 4,3 GB; przy pracy z wieloma urządzeniami są stosowane przełączniki z buforowaniem danych. Większą szybkość transmisji (1600 Mb/s) uzyskuje się przez podwojenie liczby par przewodów miedzianych (dwa kable) między urządzeniami stojącymi zwykle w tym samym pomieszczeniu. Kolejna wersja standardu HIPPI pozwala na szeregową transmisję z szybkością 800 Mb/s (lub 1600 Mb/s) na odległość do 10 km przez dupleksowe łącze światłowodowe. W standardzie szeregowym stosowany jest kod transmisyjny 21B/24B, charakteryzujący się bardziej wydajną transmisją niż stosowane do tej pory kody transmisyjne 4B/5B i 8B/10B. Alternatywą dla interfejsu HIPPI jest standard Fibre Channel o przepływności do 800 Mb/s.

Fibre Channel – standard szybkiej sieci komputerowej (1993 r.) do łączenia superkomputerów z urządzeniami peryferyjnymi, węzłami sieci (huby, routery) oraz innymi sieciami (ATM, FDDI, Token Ring, Ethernet). Stosowany często do połączeń między dwoma lub więcej komputerami przetwarzającymi równolegle, także do ich połączeń z urządzeniami pamięci masowej lub superserwerami, gdzie jest wymagana duża szybkość transmisji. Wieloprotokołowa sieć skalowalna z kodowaniem 8B/10B, wykonana za pomocą kabli miedzianych z zastosowaniem techniki ECL (Emiter Coupled Logic) lub z włókien światłowodowych, umożliwia kilka szybkości transmisji (maksymalnie 800 Mb/s) na niewielkich odległościach (do 100 m) w zależności od medium:

• skrętka miedziana – 5 MB/s (50 m),
• cienki kabel współosiowy – 100 MB/s (10 m),
• kabel telewizyjny – 100 MB/s (25 m),
• światłowód wielomodowy – 100 MB/s (500 m),
• światłowód jednomodowy – 100 MB/s (10 km).

Okablowanie międzysieciowe w standardzie Fibre Channel konkuruje ze stosowanymi do tej pory sieciami HIPPI w wersji szeregowej. Standard Fibre Channel jest promowany przez Sun Microsystem, Hewlett-Packard, IBM, Emulex.

Magistrale komputerowe

Stały wzrost szybkości komputerów (o jeden rząd co kilka lat) powoduje, że interfejsy magistral komputerowych do transmisji informacji między ich modułami ulegają ciągłym zmianom. Ze względu na coraz wyższe wymagania sprzętowe stawiane komputerom klasy PC w komputerach zwykle jest zainstalowanych kilka typów szyn magistralowych o różnych przepływnościach. Do popularnych należą:

• ISA – przepływność do 8 Mb/s, wyposażenie standard;
• EISA – przepływność do 33 Mb/s, w komputerach pełniących rolę serwera urządzeń;
• MCA – przepływność do 20 Mb/s, lansowana przez IBM;
• VLbus – przepływność do 105 Mb/s, stacje graficzne z połączeniem do trzech urządzeń;
• PCI – przepływność do 132 Mb/s, standard szyny lokalnej PC z połączeniem do 10 urządzeń;
• Dual PCI – przepływność do 528 Mb/s, szybkie aplikacje graficzne, szyna 64–bitowa;
• UBS – przepływność do 12 Mb/s, aplikacje multimedialne, z możliwością przyłączenia do 127 urządzeń zewnętrznych