Interfejsy

Czyli

„ciekawe jak dużo praw autorskich złamałem..”

Paulo Coelho

MC_OMEN

Wstęp

Żeby w ogóle odnaleźd sens tego przedmiotu należy zapoznad się z definicją – czym jest interfejs.

Interfejs jest to urządzenie elektroniczne lub optyczne służące do komunikacji między dwoma różnymi urządzeniami.

Znając już podstawową definicje możemy przejśd do faktu czym się będziemy tutaj zajmowad.

Czyli kolokwialnie rzecz biorąc, jak połączyd kabelkami jakieś urządzenia, aby jedno rozumiało drugie.

MODEL ISO/OSI

Zaczniemy może od modelu ISO/OSI czyli modelu odniesienia łączenia systemów otwartych.

Teraz rodzi się pytanie co to jest protokół.

Protokół jest to umowny język komunikacji pomiędzy modelami. Czyli „jakiego języka” muszą używad aby się
zrozumied.

Na modelu ISO/OSI najważniejsze są dla nas 3 pierwsze warstwy(od dołu), a właściwie najbardziej to fizyczna warstwa.

Opis modelu ISO/OSI

Fundamentem, na którym zbudowany jest model referencyjny OSI, jest jego warstwa fizyczna. Określa ona wszystkie
składniki sieci niezbędne do obsługi elektrycznego, optycznego, radiowego wysyłania i odbierania sygnałów. Warstwa
fizyczna, w postaci określonej przez Model Referencyjny OSI, składa się ze wszystkich procesów, mechanizmów,
elektroniki oraz protokołów, które potrzebne są urządzeniu obliczającemu w celu wysłania i odbierania binarnych

strumieni danych. W specyfikacji warstwy fizycznej technologii LAN zamieszczone są oczekiwania odnośnie wydajności
nośnika łączącego komunikujące się ze sobą urządzenia. Model jednak nie określa samego rodzaju nośnika.



Warstwa fizyczna - odpowiada za transmisje sygnałów w sieci. Realizuje ona konwersje bitów informacji na
sygnały, które będą przesyłane w kanale z uwzględnieniem maksymalizacji niezawodności przesyłu. W warstwie
fizycznej określa się parametry amplitudowe i czasowe przesyłanego sygnału, fizyczny kształt i rozmiar łączy,
znaczenie ich poszczególnych zestyków i wartości napięd na nich występujących, sposoby nawiązywania
połączenia i jego rozłączania po zakooczeniu transmisji.



Warstwa łącza danych - odpowiedzialna jest za odbiór i konwersję strumienia bitów pochodzących z urządzeo
transmisyjnych w taki sposób, aby nie zawierały one błędów. Warstwa ta postrzega dane jako grupy bitów
zwane ramkami. Warstwa łącza danych tworzy i rozpoznaje granice ramki. Ramka tworzona jest przez dołączenie
do jej początku i kooca grupy specjalnych bitów. Kolejnym zadaniem warstwy jest eliminacja zakłóceo,
powstałych w trakcie transmisji informacji po kanale łączności. Ramki, które zostały przekazane niepoprawnie, są
przesyłane ponownie. Ponadto warstwa łącza danych zapewnia synchronizację szybkości przesyłania danych
oraz umożliwia ich przesyłanie w obu kierunkach.



Warstwa sieciowa - steruje działaniem podsieci transportowej. Jej podstawowe zadania to przesyłanie danych
pomiędzy węzłami sieci wraz z wyznaczaniem trasy przesyłu, określanie charakterystyk sprzęgu węzeł-komputer
obliczeniowy, łączenie bloków informacji w ramki na czas ich przesyłania a następnie stosowny ich podział. W
najprostszym przypadku określanie drogi transmisji pakietu informacji odbywa się w oparciu o stałe tablice
opisane w sieci. Istnieje również możliwośd dynamicznego określania trasy na bazie bieżących obciążeo linii
łączności. Stosując drugie rozwiązanie mamy możliwośd uniknięcia przeciążeo sieci na trasach, na których
pokrywają się drogi wielu pakietów.



Warstwa transportowa - podstawową funkcją tej warstwy jest obsługa danych przyjmowanych z warstwy sesji.
Obejmuje ona opcjonalne dzielenie danych na mniejsze jednostki, przekazywanie zblokowanych danych
warstwie sieciowej, otwieranie połączenia stosownego typu i prędkości, realizacja przesyłania danych,
zamykanie połączenia. Ponadto mechanizmy wbudowane w warstwę transportową pozwalają rozdzielad
logicznie szybkie kanały łączności pomiędzy kilka połączeo sieciowych.



Warstwa sesji - określenie parametrów sprzężenia użytkowników realizowane jest za pośrednictwem warstwy
sesji. Po nawiązaniu stosownego połączenia warstwa sesji pełni szereg funkcji zarządzających, związanych m. in.
z taryfikacją usług w sieci. W celu otwarcia połączenia pomiędzy komputerami (sesji łączności) poza podaniem
stosownych adresów warstwa sprawdza, czy obie warstwy (nadawcy i odbiorcy) mogą otworzyd połączenie.
Następnie obie komunikujące się strony muszą wybrad opcje obowiązujące w czasie trwania sesji. Dotyczy to na
przykład rodzaju połączenia (simpleks, dupleks) i reakcji warstwy na zerwanie połączenia (rezygnacja, ponowne
odtworzenie). Przy projektowaniu warstwy zwraca się uwagę na zapewnienie bezpieczeostwa przesyłanych
danych. Przykładowo, jeżeli zostanie przerwane połączenie, którego zadaniem była aktualizacja bazy danych, to
w rezultacie tego zawartośd bazy może okazad się niespójna.



Warstwa prezentacji - jej zadaniem jest obsługa formatów danych. Odpowiada za kodowanie i dekodowanie
zestawów znaków oraz wybór algorytmów, które do tego będą użyte. Przykładową funkcją realizowaną przez
warstwę jest kompresja przesyłanych danych, pozwalająca na zwiększenie szybkości transmisji informacji.
Ponadto warstwa udostępnia mechanizmy kodowania danych w celu ich utajniania oraz konwersję kodów w
celu zapewnienia ich mobilności.



Warstwa aplikacji - zapewnia programom użytkowym usługi komunikacyjne. Określa ona formaty wymienianych
danych i opisuje reakcje systemu na podstawowe operacje komunikacyjne. Warstwa stara się stworzyd wrażenie
przezroczystości sieci. Jest to szczególnie ważne w przypadku obsługi rozproszonych baz danych, w których
użytkownik nie powinien wiedzied, gdzie zlokalizowane są wykorzystywane przez niego dane lub gdzie
realizowany jest jego proces obliczeniowy

Łączenie interfejsów

Interfejsy możemy nie tylko łączyd bezpośrednio „wtyczka do gniazdka”, ale w określonych topologiach które
przedstawiam poniżej.

TOPOLOGIE POŁĄCZEŃ :

 Gwiazda

1. Ograniczona liczba połączeo
2. Typowym interfejsem działającym w takiej konfiguracji jest RS-232
3. Przepustowośd szybko się kooczy
4. Schemat:

 Pętla

1. Zawodna
2. Wolna
3. Można dowolnie powiększad
4. Schemat:

 Linia (magistrala)

1. Urządzenia mogą porozumiewad sięmiędzy sobą

2. Można powiększad
3. Szybko działa
4. Schemat:

 Drzewo

1. Dzieli przepustowośd
2. Typowe dla USB
3. Schemat:

 „Siatkowa”

1. Każde urządzenie jest połączone z każdym
2. Typowe dla interfejsów bezprzewodowych
3. Dużo połączeo
4. Schemat:

 Łaocuch (base chain)

1. Każde urządzenie może współpracowad z dwoma innymi
2. Np. fire-wire : kamerka -> nagrywarka -> TV
3. Np. LPT : PC->Skaner->Drukarka
4. Schemat:

Interfejsy ze względu na „styl” przesyłania danych

Interfejsy możemy podzielid ze względu na styl przesyłu danych na równoległe i szeregowe.

W interfejsach szeregowych:

 Wysyłany i odbierany jest bit po bicie
 Nie zawęża to do używania tylko jednego kabla
 Przykłady : RS-232 (one-wire) ; USB (2 kable) ; PCI – Express

W interfejsach równoległych:

 Wysyłamy i odbieramy kilka bitów równocześnie, zazwyczaj jest to wielokrotnośd liczby 2
 Np. LPT , PCI
 Występuje problem propagacji oraz problem związany z jednakową prędkością przesyłu/odbioru

Skoro znamy podział stylu przesyłu, warto zagłębid się i przeanalizowad możliwości przesyłu od kierunku, a wtedy
wyróżniamy:



Simpleks - jednokierunkowa, przekazywaniu danych tylko od DTE1 do DTE2 lub tylko odwrotnie, np. drukarka z
komputerem



Półdupleks – dwukierunkowa, nie jednoczesna - umożliwia naprzemienne przesyłanie danych w obydwóch
kierunkach. Wysyłane jest zapytanie i czekanie na odpowiedź, jeżeli nastąpi odpowiedź – dane są wysyłane



Dupleks – dwukierunkowa jednoczesna - umożliwia jednoczesne przesyłanie danych w obydwóch kierunkach.
Jest to najszybszy i najlepszy sposób.

Podział ze względu na rodzaj transmisji (Synchoniczne, Asynchroniczne)

Teraz możemy przejśd do faktu synchronizmu, czyli czy wysyłamy wiadomośd wobec jakiegoś wspólnego sygnału czy nie.

TRANSMISJA SYNCHRONICZNA - nadawanie i odbieranie poszczególnych znaków słowa odbywa się w określonych
przedziałach czasu, np. synchronicznie z taktem zegara. Zaletą jej jest prostota, wadami koniecznośd jednakowej i stałej
szybkości nadawania i odbioru informacji przez jednostki funkcjonalne systemu, brak pewności, czy nadana informacja
została odebrana przez odbiorcę, wrażliwośd na zakłócenia impulsowe na linii synchronizacji.

Przy transmisji synchronicznej zegar nadajnika bezpośrednio synchronizuje odbiornik i nie ma potrzeby stosowania bitu
startu. Dane zwykle przekazuje się w postaci większych bloków zawierających dodatkowe informacje kontrolne.

TRANSMISJA ASYNCHRONICZNA – poszczególne znaki lub słowa wysyłane mogą byd w dowolnych odstępach
czasowych, ale dzięki sygnalizowaniu początku i kooca transmisji każdego słowa następuje synchronizacja nadawania i
odbioru w uczestniczących w transmisji jednostkach systemu.

Przy zastosowaniu transmisji asynchronicznej (start-stop) nadajnik umieszcza przed ciągiem danych bit startu.

Odbiornik wykrywa ten bit i synchronizuje się tak, by prawidłowo odczytad poszczególne bity. By było to możliwe
odbiornik musi mied informację z jaką prędkością nadaje nadajnik.

Oprócz bitów danych (zwykle 5 do 8) przekazuje się często bit parzystości, który umożliwia wykrycie zakłóceo w
transmisji

Odmiany transmisji asynchronicznej:

 metoda „XON-XOFF” (bez potwierdzenia) stosowana w transmisji szeregowej,
 przesyłanie z potwierdzeniem (handshake) dwuprzewodowym,

 przesyłanie z potwierdzeniem (handshake) trójprzewodowym.

Opis działania Handshake

Linie kontroli współpracy (handshake):

Trzy linie asynchronicznie kontrolują transfer danych pomiędzy urządze-niami na zasadzie dwustronnego potwierdzenia.
Wykorzystanie wszystkich trzech nazywamy trzyliniowym handshake'm. Proces ten gwarantuje, że dane na linii danych
są wysyłane oraz odbierane przez urządzenia bez błędów transmisji i jest on nazywany cyklem synchronizacji.

W zasadzie do wysyłania danych z potwierdzeniem dwustronnym wystarczą dwie linie (DAV, NRFD), czyli handshake
dwuliniowy. Dodanie trzeciej linii (NDAC) przyspiesza transmisję przez umożliwienie wcześniejszej zmiany danych przez
nadajnik, czyli nowe dane na magistrali już się stabilizują, podczas gdy odbiorniki jeszcze przetwarzają dane poprzednie.
Przy kontroli dwuliniowej dane mogą byd umieszczone na magistrali dopiero po zasygnalizowaniu gotowości wszystkich
odbiorników.

DAV (Data Valid) - dane ważne.

Nadajnik wprowadza stan aktywny na tej linii gdy na magistrali znajdują się ustabilizowane dane. Podczas zmiany danych
i w trakcie trwania stanu nieustalonego na liniach DIO nadajnik musi utrzymad linie DAV w stanie nieaktywnym.

NRFD (Not Ready For Data) - odbiorcy nie są gotowi do odebrania informacji.

Odbiornik wprowadza tą linię w stan aktywny, gdy nie jest przygotowany do odbierania danych, natomiast nadajnik nie
może sygnalizowad nowych danych na magistrali pomimo, że mogą one tam występowad. Gdy na linii NRFD jest stan
nieaktywny, znaczy to, że wszystkie odbiorniki są gotowe do przyjmowania danych, a nadajnik może zasygnalizowad na
linii DAV ważnośd danych.

NDAC (Not Data Accept) - dane nie zostały przyjęte.

Stan aktywny oznacza, że jest w systemie przynajmniej jeden odbiornik, który nie wykorzystał informacji z magistrali, w
związku z czym nadajnik musi utrzymad dane do czasu aż sytuacja ta się nie zmieni. Gdy linia jest nieaktywna, nadajnik
może wysyład nowe dane.

Zasada działania handshake'u trzyliniowego.

Proces transmisji danych rozpoczyna się od sprawdzenia przez nadajnik stanu gotowości odbiorników (t1). Jeśli
urządzenia są gotowe (linia NRFD), to nadajnik wysyła bajt na szynę danych (t2) oraz zgłasza jego ważnośd, wysterowując
odpowiednio linie ważności bajtu (t3). Odbiorniki po stwierdzeniu ważności bajtu, likwidują stan swojej gotowości (t4) i
przystępują do odbioru, czyli wpisania bajtu do swoich buforów wewnętrznych. Stan przyjęcia potwierdzają sygnałami
akceptacji (t5-t6), z których tworzony jest globalny sygnał akceptacji, będący iloczynem sygnałów pochodzących od
poszczególnych odbiorników. Nadajnik, stwierdzając akceptacje bajtu, likwiduje sygnał ważności (t7) i przygotowuje do
wysłania kolejny bajt, jednocześnie oczekując na gotowośd odbiorników. Po uzyskaniu stanu gotowości wszystkich
odbiorników (t8-t9) cykl pracy się powtarza. Tym razem współpraca odbiornika przebiega poprawnie, ponieważ nadajnik
nie wyśle bajtu dopóty, dopóki wszystkie odbiorniki nie uzyskają gotowości. Nadajnik nie usunie również bajtu z szyny
DIO dopóki wszystkie odbiorniki go nie zaakceptują.

Porównanie synchronicznych i asynchronicznych

Transmisja synchroniczna

Transmisja asynchroniczna

Przewidywalny czas transmisji (ustalony)
Może byd mało efektywny
Wszystkie urządzenia muszą pracowad z taką samą
częstotliwością

Czas transmisji może byd bardzo szybki gdy urządzenia są
szybkie
Nie wiadomo ile potrwa transmisja
Bardziej optymalne

Rodzaje transmisji

 Niesymetryczne – Wszystkie sygnały ustalane są wobec jednego sygnału – HASH
 Stan wysoki, niski ustalany wobec GND

1. Tylko 1 dodatkowa linia
2. Transmisja mało odporna na zakłócenia

 Różnicowe – 2 linie, liczy się ich różnica

1. Jeśli są zakłócenia to odbiornik je tłumi,
2. Szybsze
3. Lepsze
4. Np. USB, SATA, fire-wire

Konstrukcja różnicowa:

Konstrukcja niesymetryczna:

RS232

Interfejs RS232C jest szeregowym interfejsem napięciowym przeznaczonym do połączenia dwóch urządzeo (pierwotnie
modemu i komputera lub terminala. Odległośd urządzeo jest niewielka, interfejs jest mało odporny na zakłócenia. Duża
popularnośd powoduje, że jest często spotykany. W maksymalnie rozbudowanej wersji RS232C zawiera kilkanaście
sygnałów sterujących, ale przeważnie spotyka się realizacje znacznie okrojone.

Zastosowanie interfejsu do połączenia z urządzeniem innym niż modem wymaga zdefiniowania funkcji linii sterujących.
Zwykle pary RTS/CTS lub DTR/DSR używa się do przesyłania potwierdzeo. Przy połączeniu dwóch komputerów stosuje się
połączenia pokazane obok (tak zwany kabel null modem).

Opis sygnałów

Format wysylanych danych:

Warunki które musi spełnid zarówno nadajnik jak i odbiornik to :

 Takie same szerokości ramek
 Takie same szybkości

Wadami są :

 Zegary są niedokładne
 Zagrożenie że dwa razy otrzymamy ten sam bit, najbezpieczniej podczas odbioru celowad w środek ramki tj

Konwersja napięc dla RS-232

-15 – -3 V -> 1 logiczna

+3 - +15 -> 0 logiczne

Do transmisji minimalnie potrzebujemy portów TxD i RxD

Ogólna charakterystyka

Magistrala I2CBUS składa się z dwóch linii, które umożliwiają przesyłanie danych między dowolnymi urządzeniami
podłączonymi do magistrali. Każde z urządzeo rozpoznawane jest przez unikalny adres przesyłany przeważnie na
początku transmisji. Urządzenia mogą byd nadawcami lub odbiorcami, w zależności od pełnionej funkcji w systemie. Na
przykład zwykły sterownik wyświetlacza LCD jest tylko odbiorcą danych, natomiast układy pamięciowe mogą dane
zarówno przyjmowad jak i nadawad. Oprócz podziału na nadajniki i odbiorniki przypisuje się jeszcze urządzeniom pewien
status, przy czym wyróżnia się dwa statusy master i slave. Master to urządzenie, które inicjuje prowadzi transmiję
danych generując sygnały zegarowe. Dowolne poprawnie zaadresowane urządzenie nazywane jest slave.

Interfejs I2CBUS pozwala na podłączenie do magistrali kilku urządzeo os tatusie master. Oznacza to że w systemie może
się znaleźd kilka urządzeo potrafiących przejąd sterowanie sygnałami magistrali. Dobrym przykładem jest układ
składający się z dwóch równorzędnych mikrokomputerów jednoukładowych komunikujących się ze sobą



2 linie: danych SDA(Serial Dataline) i zegarowa SCL(Serial ClockLine),



każde urządzenie ma swój adres



urządzeniami są typu "master" i "slave",



magistrala typu "multi-master" -są metody detekcji kolizji na magistrali jak i procedury arbitrażu, zapobiegające
utracie danych, gdy dwa lub więcej urządzeo typu "master" jednocześnie inicjuje transfer danych,



szeregowa, zorientowana 8-bitowo, dwukierunkowa transmisja danych o przepływności maksymalnej 100 kbit/s
w trybie STANDARD i 400 kbit/s w trybie FAST,



wbudowane filtry eliminujące zakłócenia mogące naruszyd integralnośd danych,



liczba układów scalonych limitowana jest tylko jej maksymalną pojemnością 400 pF.

Funkcjonalnośd interfejsu



funkcjonalnie bloki na schemacie blokowym -szybkie przejście z fazy schematu blokowego do koocowego
schematu ideowego



brak potrzeby projektowania interfejsu magistrali -wbudowany w układ scalony



zintegrowanie adresowania z protokołem transferu danych -całkowite programowe zorientowanie aplikacji



ten sam typ układu scalonego może byd często użyty w różnych aplikacjach



układy scalone mogą byd dodawane lub usuwane z systemu bez używania dodatkowych układów na magistrali



uproszone wykrywanie błędów i diagnostyka magistrali



czas konieczny na stworzenie oprogramowania może byd zredukowany poprzez wykorzystanie bibliotek z
najczęściej używanymi funkcjami

Korzyści



prostota magistrali I2C (tylko 2 linie) minimalizują liczbę połączeo:

o małą liczbę koocówek IC

o mała ilości ścieżek -zmniejsza powierzchnię płytek drukowanych



całkowite zintegrowanie protokołu magistrali I2C eliminuje koniecznośd stosowania dekodera adresowego czy
innych IC



zdolnośd do pracy w trybie "multi-master" ułatwia testowanie,



dostępnośd IC w obudowach typu SO (SmallOutline), VSO (VerySmallOutline) jak również DIP (DualinPackages)
zmniejszają wymaganą powierzchnię płytki drukowanej



CMOS

o mały pobór mocy, duża odpornośd na szumy
o szeroki zakresu napięcia zasilania oraztemperatury pracy

Szeregowa magistrala interfesju I2CBUS składa się z dwóch, dwukierunkowych linii: jednaj dla sygnału danych (Serial
Data – SDA) oraz drugiej dla sygnału zegarowego (Serial Clock – SCL). Dla zapewniania poprawnej wymiany informacji
przez magistralę zdefiniowano następujący protokół:

1. Inicjalizacja transmisji danych może nastąpid tylko wtedy gdy magsitrala nie jest zajęta
2. Podczas transmisji danych, sygnał na linii SDA musi bydstabilny (nie może się zmieniad), gdy stan sygnału na linii

SCL jest wysoki. Zmiany sygnału na linii SDA podczas wysokiego stanu na linii SCL są interpretowane jako sygnały
sterujące (control). W związku z tym określono następujące warunki magistrali :



Magsitrala nie zajęta (Bus Not Busy) – linie SDA i SCL są w stanie wysokim



Start transmisji danych – zmiana stanu linii SDA z wysokiego na niski, dokonana podczas wysokiego
stanu linii SCL



Stop (zatrzymanie) transmisji danych – zmiana stanu na linii SDA, z niskiego na wysoki dokonana podczas
wysokiego stanu linii SCL



Dane ważne (Data Valid) – stany sygnału na linii SDA reprezentują „dane ważne”, gdy (po wystąpieni
warunku startu) pozostająstabilne przez czas trwania stanu wysokiego linii SCL. Zmiana danych w linii
SDA może nastąpid podczas trwania stanu niskiego linii SCL. Na rysunku przedstawiono
sekwnecjęzdarzeo zachodzących podczas transmisji informacji na magistrali I2C. Każda transmisja
inicjowana jest poprzez wystąpienie warunku start i kooczona poprzez wystąpienie warunku stop.

Wykrycie warunków start i stop jest zadaniem sterownika magistrali I2Cbus. Jeżeli nie wykorzystuje sięspecjalizowanego
sterownika należy testowad stan linii SDA przynajmniej dwa razy częściej niż okres sygnału zegara na linii SCL

Znacznikami początku i kooca transmisji są odpowiednio warunki start i stop. Ilośd bitów transmitowanych pomiędzy
startem i stopem nie jest limitowana.

Każdy bajt wysyłany linią SDA ma długośd 8 bitów. Liczba bajtów po rozpoczęciu transmisji do jej zakooczenia jest
dowolna. Każdy wysyłany bajt musi byd potwierdzony przez odbiornik. Dane wysyłane są od najstarszego bitu do
najmłodszego. Jeśli odbiornik nie jest w stanie przyjąd kolejnego kompletnego bajtu, to dla poinformowania nadajnika i
zwolnienia transmisji ustala stan niski na linii zegara SCL. Wznowienie transmisji może nastąpid natychmiast po tym, jak
odbiornik zwolni linię SCL, usuwając z niej stan niski.

Na magistrali I2CBUS niezbędne są potwierdzenia przesyłanych danych które wystawiane są po przesłaniu każdego bitu.
Urządzenie master zobowiązane jest do generowania dodatkowego taktu sygnału zegarowego dla uchwycenia bitu
potwierdzenia. W czasie potwierdzenia, nadajnik ustawia swoje wyjście danych na H,co umożliwia odbiornikowi
wysyłanie potwierdzenia poprzez wymuszenie niskiego stanu na linii SDA. Potwierdzenie pojawia się w czasie trwania
wspomnianego, dodatkowego taktu zegarowego.

Mogą jednak wystąpid sytuacje , w których potwierdzenia nie będą wystawiane. Jeśli odbiornik slave nie potwierdził
wysyłanego do niego adresu własnego (na przykład z powodu wykonywania jakieś funkcji czasu rzeczywistego) lub
któregokoliwek z przesłanych następnie bajtów, to linię SDA powinien pozostawid w stanie wysokim, w urządzenie
master powinno wysład warunek stop.

Jeśli odbiornik master przyjmuje dane to powinien sygnalizowad nadajnikowi koniec danych przez nie potwierdzenie
ostatniego bjtu danych. Nadajnik pozostawia linię SDA w stanie wysokim, umożliwiając urządzeniu master zakooczenie
transmisji warunkiem stop.

Arbitraż:

W systemie I2CBUS może dojśd do sytuacji, że więcej niż jedno urządzenie zechce przejąd kontrolę nad łączem (byd
masterem). Zdefiniowani więc specjalną procedurę arbitrażową, która wyłania jednego mastera spośród urządzeo
rywalizujących o sterowanie transmisją. Arbitraż oparto na zasadzie kontroli zgodności stanu linii SDA z wartością
logiczną bitu wyprowadzonego przez dane urządzenie. Odczyty stanu linii SDA odbywają się w ściśle określonych
momentach wyznaczanych sygnałem zegarowym.

Trzeba pamiętad, że podczas arbitrażu dwa lub więcej urządzenia wyprowadzają swoje bity na linię danch i może się
zdarzyd, że gdy jedno wyprowadza jedynkę, to drugie wyprowadza zero. Na linii SDA w takim przypadku ustali się stan
niski, ponieważ dla podłączonych do tej linii urządzeo realizuje ona funkcję iloczynu na drucie. Urządzenie które chciało
wyprowadzid jedynkę po stwierdzeniu, że na linii SDA jest zero, wypada z arbitrażu (wyłącza swoje wyjście). Widad więc,
żę przedstawione rozwiązanie preferuje urządzenie, które w czasie arbitrażu wysyła najniższa wartośd binarną.

Dla poprawnego przeprowadzenia arbitrażu konieczna jest synchronizacja sygnałów zegarowych urządzeo, które walczą
o sterowanie transmiją. Wszystkie urządzenia generują swoje własne sygnały sygnały zegarowe na linii SCL umożliwiając
przesył danych oraz potwierdzenia. Dane na linii SDA są ważne tylko dla wysokiego stanu linii zegara. Synchronizację
przesyłu danych uzyskuje się poprzez wykorzystanie funkcji iloczynu na drucie, tym razem realizowanej na linii SCL. Linia
SCL będzie tak długo w stanie niskim, aż wszystkie urządzenia nie zwolnią tej linii. Długośd stanu wysokiego na linii SCL
jest zatem określona przez czas trwania najkrótszego okresu spośród sygnałów zegarowych, a długośd stanu niskiego
przez czas trwania najdłuższego okresu spośród sygnałów zegarowych.

Urządzenie master, które utraciło kontrolę nad mgistralą, może generowad tlyko sygnały zegarowe do kooca bajtu, przy
którym utraciło kontrolę. Arbitraż nie jest dozowolony w trakcie powtwarzanego warunku STOP lub START.

Przebieg transmisji

Transmisje rozpoczyna warunek start, po którym zostaje wysłany siedmiobitowy adres urządzenia slave. Kierunek
przyslu danych określa bit R/W wyprowadzany w następnej kolejności. Zerowa wartośd tego bitu oznacza nadawanie do

urządzenia slave (operacja zapisu), natomiast jeden, oczekiwanie na dane z urządzenia slave (operacja odczytu). Dalej
odbywa się właściwa wymiana danych, potwierdzona przez odbiornik impulsami ACK po skompletowaniu każdego bajtu.
Koniec transmisji wyznacza warunek stop.

Interfejs ten jest używany np. w telewizorach.

Komunikuje się z ukłądami scalonymi lub modułami na małych odległościach w ramach jednego systemu

 Połączenie komputera z monitorem
 Kontrola wiatraczków w jednostce centralnej

Jest to synchroniczny szeregowy interfejs.

Można łączyd wiele urządzeo (do około 112 – 127 urządzeo)

Każde urządzenie ma 7-bitowy adres

Jest to magistrala typu „multi-master” (kilka urządzeo master)

Master – ma możliwośd inicjowania transmisji

Krótki skrót :

 Porcja danych jest 8 bitowa + bit ACK
 Transmisja half-duplex w dwóch kierunkach
 Urządzenie musi mied przynajmniej prędkośd 100 kbit/s w I wersji
 Mogą pracowad z dowolnie wolną prędkością czyli np. 1bit/ dzieo, można również ręcznie sterowad sygnałem
 Maksymalny obszar może byd duży lub bardzo duży ale występuje wtedy limit pojemności na linii
 Działa w topologii magistralowej
 Duża swoboda łączenia urządzeo

Adresowanie:

Po warunku start rozpoczynającym transmisje, zostaje wysłany bajt, w którym siedem bitów reprezentuje adres
urządzenia slave, a najmniej znaczący bit (LSB) określa kierunek transmisji. Wszystkie urządzenia po wykryciu warunku
start porównując odebrany adres ze swoim adresem sprzętowym. Rozpoznanie adresu własnego oznacza zaadresowanie
urządzenia jako odbiornik slave lub nadajnik slave, w zależności od bitu R/W.

W niektórych urządzeniach adres własny składa się z dwóch części: stałej oraz programowalnej. Taki przypadek
występuje w układach scalonych o niedużej inteligencji, wyposażonych w proste sterowniki interfejsu. Kilka starszych
bitów adresu ( zazwyczaj od 4 do 6 ) jest ustawionych na stałe przez producenta, a pozostałe młodsze bity użytkownik
może zaprogramowad poprzez łączenie ich wyprowadzeo do zasilania lub masy. Ilośd bitów programowalnych ogranicza
ilośd układów tego samego typu ( a więc posiadających identyczną stałą częśd adresu), które mogą byd jednocześnie
podłączone do magistrali. Trzy bity programowalne pozwalają na podłączenie do ośmiu układów tego samego typu.

W niektórych przypadkach wykorzystuje się prioretytezację – im wyższy adres tym ważniejszy.

Pewnym wyjątkiem w sposobie adresowania jest adres rozgłoszeniowy (general call), który powoduje zaadresowanie
wszystkich urządzeo w systemie. Adres ten, przynajmniej teoretycznie, powinien byd potwierdzony przez wszystkie
urządzenia. Niektóre urządzenia mogą byd jednak niewrażliwe na ten sposób adresowania. Po adresie rozgłoszeniowym
wysyłany zostaje drugi bajt określający polecenie.

W interfejsie I2CBUS zarezerwowano dwie grupy po osiem adresów do celów przedstawionych w tablicy.

Bajt startu:

Aby odciążyd CPU mikrokontrolerów nie posiadających sprzętowego sterownika interfejsu od próbkowania magistrali z
dużą częstotliwością, wprowadzono specjalną procedurę startową, znacznie dłuższą od nomrlanego warunku start.
Procedura ta składa się z:

 Normalnego warunku start (S)
 Bajtu startowego 00000001
 Impulsu potwierdzenia ACK
 Potórzeonego warunku start (Sr)

Po wysłaniu warunku start przez urządzenie master żądające dostępu do magistrali, generowany jest bajt startowy. Inny
mikrokontroler (nie wyposażony w sterownik interfejsu) może próbkowad linię SDA ze stosunkowo małą częstotliwością,
taką jednak aby zdążył wykryd któreś z siedmiu zer bajtu startowego. Po detekcji niskiego poziomu na linii SDA, mk
powinien zmienid szybkośd próbkowania magistrali na wyższą, pozwalająca na rozpoznanie powtórzonego warunku start
(Sr), który jest już normalnym warunkiem synchronizacyjnym.

Sterownik sprzętowy interfejsu I2CBUs zostanie wyzerowany po odebraniu Sr, co oznacza zignorowanie bajtu
startowego.

Po bajcie startowym generowany jest impuls potwierdzenie, lecz nie przez urządzenie odbierające, aprzez sam nadajnik.
Chodzi tu o zachowanie zsady potwierdzania każdego bajtu. Bajt startowy nie może byd potwierdzony przez żadne
urządzenie odbierające.

Schemat połączenia iloczynu logicznego na drucie (wired-and)

Dodatkowo:

 W I2C wymyślono bardzo prosty i wygodny sposób nadawania adresów

 4 najstarsze bity układu ustalane są przez producenta, cztery kolejne podłączone są do masy lub zasilania (jedna

z możliwości

adresów

 Są także układy które mają 4,2 linie do sterowania (sterowanie za pomocą podłączenia nóżek układu scalonego

do masy lub zasilania)

 Nowsze wersje przewidują większą szybkośd *Fast mode, High-speed mode]
 Przewidziane jest rozszerzenie powierzchni adresowej

1-wire

Interfejs 1-Wire został opracowany przez firmę Dallas Semiconductor ( obecnie Dallas – Maxim ). Jest on przeznaczony
do przesyłania informacji pomiędzy układem nadrzędnym master - mikrosterownik a układami podrzędnymi slave (np.
termometry, układy identyfikacji, pamięci SRAM i EEPROM, programowalne klucze). Transmisja odbywa się w obu
kierunkach z wykorzystaniem jednego przewodu sygnałowego (oprócz masy), który jednocześnie może byd wykorzystany
do zasilania układów do niego podłączonych. Dane przesyłane są z prędkością od bliskiej 0 do 16,3 kbps w trybie
standard oraz do 115 kbps w trybie overdrive. Każde z urządzeo podłączonych do magistrali musi mied wyjście typu
otwarty dren, a linia sygnałowa DQ jest połączona do zasilania przez rezystor podciągający o wartości około 5kW. Zatem
w stanie bezczynności linia DQ jest w stanie wysokim. Magistrala nie ma ustalonego formatu danych. Sposób przesyłania
informacji zależy od konfiguracji układów podrzędnych. Zawsze jednak jako pierwszy jest przesyłany bit najmniej
znaczący.

Protokół wymiany danych poprzez magistralę 1-Wire składa się z czterech podstawowych sekwencji:

1. inicjalizacji (zerowanie magistrali),
2. wysłanie (zapis) zera,
3. wysłanie (zapis) jedynki,
4. odczyt bitu.

Sekwencja inicjalizacji rozpoczyna się wysłaniem na magistralę przez układ master (mikrosterownik) impulsu zerującego
o czasie trwania 480 .. 960 ms. Po tym czasie układ master przechodzi w stan odbioru i na magistrali pojawia się stan
wysoki. Po zidentyfikowaniu kooca impulsu zerującego układ slave odczekuje 15 .. 60 ms i wystawia na magistralę impuls
obecności (presence pulse) o czasie trwania 60 .. 240 ms. Sekwencja inicjalizacji umożliwia układowi master wykrycie
podłączonych do niej układów slave. Po czasie koniecznym do pełnej inicjalizacji układów podrzędnych możliwe staje się
przeprowadzenie normalnej transmisji danych.

Przebiegi sekwencji inicjalizacji dla magistrali 1-Wire:

Transmisja danych do urządzenia podrzędnego polega na generowaniu serii impulsów o poziomie niskim o odpowiedniej
długości, która definiuje stany logiczne „0” lub „1”. Długośd sekwencji zapisu lub odczytu musi się zmieścid w szczelinie
czasowej (time slot), która wynosi 60 .. 120 ms i jest inicjowana wymuszeniem przez układ master stanu niskiego na
magistrali. Nadanie logicznego „0” polega na wygenerowaniu impulsu o czasie trwania 60 .. 120ms, a następnie na
zwolnieniu magistrali i odczekaniu minimum 1ms przed nadaniem następnego bitu (rys. 3). Dla logicznej „1” generowany
impuls trwa 1 .. 15 ms, a następnie magistrala pozostaje zwolniona na minimum 45 ms ( maksymalnie 105 ms ) (rys. 3).

Transmisja logicznych „0” i „1” na magistrali 1-Wire

Przy emulacji programowej interfejsu 1-Wire, na czas generowania impulsów (zwłaszcza dla „1”) warto wyłączad
wszystkie przerwania mikrosterownika, gdyż wystąpienie przerwania w trakcie generacji impulsu może doprowadzid do
jego wydłużenia poza dopuszczalne granice, a co za tym idzie do zafałszowania transmisji.

Odczyt wartości bitu przesyłanego przez układ podrzędny polega na generacji przez układ master impulsu o czasie
trwania minimum 1 ms (zazwyczaj stosuje się impulsy 3 .. 5 ms), a następnie na zwolnieniu linii DQ i sprawdzeniu jej
stanu logicznego przed upływem 15 ms od rozpoczęcia sekwencji odczytu (rys. 4). Jeżeli urządzenie podrzędne będzie
transmitowad logiczne „0”, wówczas generowany przez mikrosterownik impuls zostanie przedłużony do czasu trwania co
najmniej 15 ms. Odczyt stanu napięcia na magistrali przed upływem tego czasu da w efekcie poziom niski, czyli
transmitowane „0”. Ponieważ przedłużenie impulsu może trwad dłużej, to po odczytaniu stanu bitu należy odczekad
jeszcze nie krócej niż 45 ms. Jeżeli transmitowany będzie bit „1”, to wówczas urządzenie podrzędne nie przedłuży
impulsu generowanego przez mikrosterownik i odczyt stanu w tym samym czasie co przy transmisji „0” da w efekcie stan
wysoki, czyli transmitowaną logiczną „1”.

Odczyt bitu przez układ master na magistrali 1-Wire

W większości przypadków interfejs 1-Wire implementuje się w mikrosterownikach w sposób programowy. Jednak, ze
względu na rosnącą popularnośd interfejsu wynikającą z faktu, iż składa się on tylko z jednej linii sygnałowej, która może
zasilad urządzenia podrzędne ( o niewielkiej mocy pobieranej ) pojawiają się mikrosterowniki z kontrolerami tego
interfejsu (np. DS80C400). Na rys. 5 pokazano schemat blokowy kontrolera interfejsu 1-Wire.

Schemat blokowy kontrolera interfejsu 1-Wire:

Linia DQ jest wejściem/wyjściem interfejsu 1-Wire. Pozostałe linie przenoszą sygnały wewnętrzne. Magistrala D0-D7
dostarcza dane do poszczególnych rejestrów kontrolera, wybieranych za pomocą sygnałów A0-A2, które są
zatrzaskiwane w układzie kontrolnym przez sygnał /ADS. Aktywny stan na linii /RD powoduje odczyt z wybranego
rejestru, a aktywny sygnał /WR zapis do tego rejestru. Stan niski na linii /EN uaktywnia kontroler. Stan wysoki na linii MR
resetuje kontroler zerując zawartości wszystkich rejestrów i flagi przerwao. Sygnał CLK dzielony przez dzielnik sterowany
rejestrem Clock Div Register taktuje transmisją interfejsu 1-Wire. Na linii INTR pojawia się sygnał przerwania od
kontrolera. Odczytując rejestr Interrupt Register identyfikowana jest przyczyna przerwania. Interfejs steruje się za
pomocą rejestru Command Register. Wysyłanie danej rozpoczyna się po wpisaniu jej do rejestru Transmit Buffer.
Odebraną daną czyta się z rejestru Receive Buffer.

Cechy interfejsu :

 Pracuje tylko z 1 linią danych
 Urządzenie również musi mied mase
 Jest to interfejs szeregowy
 Komunikacja half-duplex, dwukierunkowa
 Możemy podłączad wiele urządzeo w 2-wire ( w więkoszści interfejsów my nadajemy adres urządzeniom 1-wire-

> jest wyjątkowy ponieważ adres jest nadawany przez producenta, czyli jest unikatowy, wielobiotowy)

 Zasilanie po tej samej linii co linia danych ( zasilanie pasożytnicze)
 Wiele slave, jedno urządzenie master

Adres jest 64 bitowy, pierwsze 8 bitów to suma kontrolna służaca do sprawdzania poprawności, ostatnie 8 bitów to kod
rodziny, który mówi czy to termomentr czy przetwronik analogowy cyfrowy czy innego rodzaju urządzenie, 48 bitów
unikalne nadawane przez producenta

Gdy układ scalony kosztuje około 5zł, to z metalową obudową koszt wynosi już 80zł

- 1 oraz zero to trochę wysokiego i niskiego sygnału, o tym czy jest to 0 czy 1 decyduje stosunek czasów dolnych
sygnałów

STANDARD :

1-15 us stan niski

Potem 45 us wysoki

 Kolejnośd nadawnia przez urządzenia (master -> slave)

1. Resetujemy
2. Wybieramy
3. Komunikujemy

Czyli :

1. Master wykonje reset (niski sygnał)
2. Wykrywanie urządzeo (master czeka na odpowiedź na nadany reset) – sygnał presence
3. Transmisja (komendy)

Komendy :

 33H – identyfikacja urządzenia, idealna do szafek na siłowni. W przypadku wielu urządzeo odczytywany adres,

którego nie ma, iloczyn na drucie;

 CCH – połaczenie z pastylką która rozponzaje CCH; rozmawiamy z pierwszym lepszym (przeważnie najmłodszym

adresem)

 55H – rozmawia z konkretną jedną pastylką
 FOH – służy szukaniu wszelkich magistrali, wszelkich dostępnych urządzeo

IEEE 1284 CENTRONICS [LPT]

(opis w artykułach)

notatki:

W komputerze jest to wtyk żeoski, posiada 36 pinów.

Interfejs równoległy, kilka bitów (dokładnie 8 ponieważ koduje on jeden znak) – standard wszystkich drukarek przez
wiele lat.

W standardzie IEEE 1284 zdefiniowano następujące protokoły transmisji danych:

 SPP (ang. Standard Parallel Port, znany też pod nazwą Compatibility Mode) – tryb kompatybilności ze złączem

Centronics z możliwością transmisji dwukierunkowej. Port zapewnia najniższy transfer (150 kb/s). Wadą jest
obsługa poprzez przerwania, co jest utrudnione w systemach wielozadaniowych.

 Nibble Mode – tryb półbajtowy (czterobitowy), przy transmisji z urządzenia zewnętrznego po liniach statusu.

Prędkośd transmisji nie przekracza 50 kb/s. Odpowiednik portu Bi-tronics wprowadzonego przez Hewlett-
Packard. Jest to komunikacja dwukierunkowa używająca 4 linii do urządzenia i 4 linii z urządzenia ( ważne przy
niezrównoważonej transmisji)

 Byte Mode – tryb bajtowy (ośmiobitowy). 8 bitów raz w jednym raz w drugim kierunku według potrzeb, obsługa

buforów i przerwao do 2 MB/s – duża szybkośd

 EPP (ang. Enhanced Parallel Port) – najczęściej stosowany tryb. Brak tutaj kanału DMA. Handshake realizowany

jest sprzętowo, co umożliwia działanie w systemie wielozadaniowym (po wywłaszczeniu procesu transmisja
nadal trwa) oraz znacznie ułatwia pracę programistów. Komunikacja jednokierunkowa , a co za tym idzie większa
wydajnośd niż SPP, obsługuje dużo starych nieznanych urządzeo

 ECP (ang. Extended Capability Port) – port używa DMA i oferuje najwyższe prędkości (do 2 Mb/s).

Wykorzystywane są bufory FIFO.

Ważne sygnały :

Hendszejki opisane w cz 2 artykulow

Są ważne 3 rejestry w trybie SPP

•Zdefiniowane są 3 adresy do dostępu rejestrów “LPT1:” odpowiada adresowi bazowemu 0x378



Bazowy używany do wysyłania danych(D0-D7)



Bazowy+1 rejestr statusu



Bazowy+2 rejestr controlny

Interfejs był ten popularny dla skanerów, też często do CD-ROMu zewnętrznego lub dysku zewnętrznego.

Był często używany do progrmowania innych rzeczy – jedyne realne okno na świat przez wiele lat

MODBUS

Interfejs MODBUS został opracowany w firmie Modicon i stał się w krótce standardem przyjętym przez większośd
znanych producentów sterowników przemysłowych dla asynchronicznej, znakowej wymiany informacji pomiędzy
urządzeniami systemów pomiarowo kontrolnych. O jego popularności i rozpowszechnieniu zdecydowały takie cechy jak :

 Prosta reguła dostępu do łącza oparta na zasadzie master-slave
 Zabezpieczanie przysłanych komunikatów przed błędami
 Potwierdzanie wykonania rozkazów zdalnych i sygnalizacji błędów
 Skuteczne mechanizmy zabezpieczające przed zawieszeniem systemu
 Wykorzystanie asynchronicznej transmisji znakowej zgodnej z RS-232C

Transakcje w systemie MODBUS

Kontrolery urządzeo pracujących w systemie MODBUS komunikują sięze sobąprzy wykorzystaniu protokołu typu master-
slave, w którym tylko jedno urządzenie może inicjowad transakcje (jednostka nadrzędna – master), a pozostałe (
jednostki podrzędne – slave) odpowiadają jedynie na zapytania mastera. Transakcja składa się z polecnia (query)
wysyłanego z jednostki master do slave oraz z odpowiedzi (response) przesyłanej z jednostki slave do master.
Odpowiedź pomiędzy urządzeniem master i urządzeniem slave.

Master może adresowad indywidualnych odbiorców (jednostki slave) lub też przesyład wiadomości rozgłoszeniowe
(broadcast), przeznaczone dla wszystkich urządzeo podrzędnych w systemie. Na polecenia rozgłoszeniowe jednostki
slave nie przesyłają odpowiedzi. Protokół MODBUS określa format wiadomości przesyłanych z jednostki master do slave.
Zawiera on adres odbiorcy, kod funkcji reprezentujący żądane polenie, dane oraz słowo kontrolne zabezpieczające
przesyłaną wiadomośd. Odpowiedź urządzenia slave wysyłana jest również zgodnie z formatem zdefiniowanym w
protokole MODBUS. Zawiera ona pole potwierdzenia realizacji rozkazu, dane żądane przez master oraz słowo kontrolne
zabezpieczające odpowiedź przed błędami. Jeżeli urządzenie slave wykryje błąd przy odbiorze wiadomości, lub nie jest w
stanie wykonad polecenia , przygotowuje specjalny komunikat o wystąpieniu błędu i przesyła go jako odpowiedź do
mastera.

Ramka w systemie modbus

W systemie modbus wiadomości są zorganizowane w ramki o określonym początku i koocu. Pozwala to urządzeniu
odbierającemu na odrzucenie ramek niekompletnych i sygnalizacje związanych z tym błędów. Ze względu na możliwośd
pracy w jednym z dwóch trybów transmisji (ASCII lub RTU), definijue się 2 ramki

Ramka w trybie ASCII

W trybie ASCII, każdy bajt w wiadomości przesyłany jest w postaci dwóch znaków ASCII. Podstawową zaletą tego trybu
transmisji jest to, że pozwala on na długie odstępy między znakami (do 1s) bez powodowania błedów. Format znaku
przesyłanego w transmisji ASCII jest następujący:

 System kodowania : heksadecymalny, znaki ASCII 0-9 A-F. Jeden znak heksadecymalny zawarty jest w każdym

znaku ASCII wiadomości.

 Jednostka informacyjna: ograniczona znakami start (na początku) i stop na koocu, 10 bitową

Przy transmisji w trybie ASCII stosuje się zabezpieczenie części informacyjnej ramki kodem LRC (Longitudinal
Redudndancy Check)

Format ramki w trybie ASCII przedstawiono na rysunku. Znacznikiem początku ramki jest znak dwukropka ( „:” – ASCII
3Ah). Dopuszczalnymi znakami dla pozostałych pól (za wyjątkiem znacznika kooca ramki) są 0-9, Ah-Fh. Urządzenie po
wykryciu znacznika początku ramki sprawdza, czy pole adresowanie zawiera jego adres własny. Jeżeli tak, to odczytuje
zawartośd pola funkcji i związaną z nią zawartośd pola danych. Częśd informacyjną ramki (bez znaku „:”) zabezpiecza pole
kontrolne LRC. Ramka kooczy się przesłaniem dwóch znaków : CR i LF.

Odstęp pomiędzy znakami tworzącymi ramkę nie może przekraczad 1s. jeżeli odstęp ten będzie większy od podanej
wartości, rządzenie odbierające dane sygnalizuje błąd

Ramka w trybie RTU

W trybie RTU wiadomości rozpoczynają się odstępem czasowym trwającym minimum 3.5 x (czas trwania pojedynczego
znaku), w którym panuje cisza na łączu. Najprostszą implementacją wymienionego interwału czasowego jest wielokrotne
odmierzanie czasu trwania znaku przy zadanej szybkości bodowej przyjętej w łączu. Na rysunku przedstawiającym ramkę
w trybie RTU, odstęp początkowy zaznaczono symbolicznie jako T1-t2-t3-t4, czyli równy czterem długościom znaku
(jednostki informacyjnej). Pierwszym polem informacyjnym ramki jest adres zarządzania.

Dopuszczalnymi znakami transmitowanymi w ramkach pól ramki są 0-9, A-F. Połączone w system urządzenia stale
(łącznie z przedziałami ciszy) monitorują magistralę. Po odebraniu zawartości pola adresu urządzenia sprawdzają czy
przesłany adres jest ich adresem własnym. Jeżeli tak to kontynuują interpretację pozostałych pól wchodzących w skład
ramki.

Ramkę kooczy przerwa czasowa trwająca co najmniej 3.5 x ( długości znaku). Po tym odstępie można wysład następną
ramkę, traktując go jako jej przerwę początkową. Całą ramka musi zostad przesłana w postaci ciągłej tzn. odstęp
pomiędzy kolejnymi znakami tworzącymi ramkę nie może byd większy od 1.5 x (długości znaku). Jeżeli odstęp ten
przekroczy podaną wartośd, to urządzenie odbierające uzna ramkę za niekompletną i następny znak przyjmie za bajt pola
adresowego kolejnej wiadomości. Podobnie, jeżeli nowa wiadomośd pojawi się na magistrali przed upływem koniecznej
przerwy (3.5 x długośd znaku)), to urządzenie odbierające potraktuję ją jako kontynuację poprzedniej wiadomości. To
doprowadzi do błędu sumy kontrolnej, ponieważ urządzenie odbierające będzie obliczad CRC dwóch wiadomości i
porównywad go z CRC drugiej.

Charakterystyka pól ramki

Pole adresowe

Pole adresowe w ramce zawiera dwa znaki ( w trybie ASCII) lub osiem bitów (w trybie RTU). Zakres adresów jednostek
slave wynosi 0-247. Master adresuje jednostkę slave umieszczając jej adres na polu adresowym ramki. Kiedy jednostka
slave wysyła odpowiedź, umieszcza swój własne adres na polu adresowym ramki, co pozwala masterowi sprawdzid z
która jednostką realizowana jest transakcja.

Adres 0 jest wykorzystywany jako adres rozgłoszeniowy, rozpoznawany przez wszystkie jednostki slave podłączone do
magistrali.

Pole funkcji

Pole funkcji w ramce zawiera dwa znaki w trybie ASCII lub osiem bitów w trybie RTU. Zakres kodów operacji 1-255.

Przy transmisji polecenia z jednostki master do slave, pole funkcji zawiera kod rozkazu, określający działanie, które ma
podjąd jednostka slave na żądanie mastera. Przykładowymi rozkazami mogą byd : rozkaz odczytu zespołu rejestrów,
odczyt status, zapis rejestrów w jednostce slave, ładowanie, odczytywanie lub weryfikacja programu jednostki slave.

Kiedy jednostka slave odpowiada masterowi, pole funkcji wykorzystuje do potwierdzenia wykonania polecenia lub
sygnalizacji błędu, jeżeli z jakiś przyczyn nie może wykonad rozkazu. Potwierdzenie pozytywne realizowane jest poprzez
umieszczenie na polu funkcji kodu wykonanego rozkazu. W przypadku stwierdzenia błędu, jednostka slave umieszcza na
polu funkcji „szczególną odpowiedź” (exception response), która stanowi kod funkcji z ustawionym na 1 najstaarszym
bitem. Na przykład polecenie (z mastera do jednostki slave) odczytu zespołu rejestrów posiada kod funkcji 0000 0011(
03h)

Jeżeli jednostka slave wykona rozkaz, w swojej odpowiedzi zwraca tą samą wartośd na polu funkcji. Jeżeli wykryje błąd,
zwróci 1000 0011 (83h).

Oprócz „szczególnej odpowiedzi” sygnalizującej błąd, jednostka slave umieszcza kod błędu na polu danych ramki
odpowiedzi. Pozwala to masterowi określid rodzaj lub powód błędu.

Program wykonywanny przez jednostkę master jest odpowiedzialny za obsługę błędów. Typową reakcjąna wystąpienie
błędu jest powtórzenie ramki polecenia, odczyt informacji statusowych umożliwiających diagnostykę błędów,
powiadomienie operatora.

Pole danych

Pole danych tworzy zestaw dwucyfrowych liczb heksadecymalnych o zakresie 00 – FF. Liczby te przy transmisji w trybie
ASCII reprezentowan są dwoma znakami, a przy transmisji w trybie RTU jednym.

Pole danych ramki poelcenia zawiera dodatkowe informacje potrzebne jednostce slave do wykonania rozkazu
określonego kodem funkcji. Mogą to byd adresy rejestrów, liczba bajtów w polu danych, dane itp. Na przykład, jeżeli
master żąda odczytu grupy rejestrów (kod funkcji 03), pole danych zawiera nazwę (adres) rejestru początkowego oraz
ilośd rejestrów do odczytu. Przy operacji zapisu grupy rejestrów (kod funkcji 10h), na polu danych znajdują się
następujące informacje: adres rejestru początkowego, ilośd rejestrów, ilośd pozostałych bajtów w polu danych, dane
przeznaczone do zapisu. Jeżeli nie wystąpi błąd, pole danych odpowiedzi zawiera żądane informacje. Wykrycie błędu
powoduje zapisanie przez jednostkę slave kodu błędu na polu danych ramki odpowiedzi, co umożliwia adekwatną
reakcję mastera.

W niektórych ramkach polecenia pole danych może posiadad zerową długośd. Tak jest zawsze w sytuacji, gdy operacja
określona kodem funkcji nie wymaga żadnych parametrów.

Pole kontrolne

W standardzie MODBUS słowo kontrolne zabezpieczające częśd informacyjną zależy od zastosowanego trybu transmisji.

W trybie ASCII pole kontrolne składa się z dwóch znaków ASCII, które są rezultatem obliczenia LRC na zawartośd części
informacyjnej ramki ( bez znaczników początku i kooca). Znaki LRC są dołączane do wiadomości jako ostatnie pole ramki,
bezpośrednio przed znacznikiem kooca (CR,LF).

W trybie RTU słowo kontrolne jest 16-bitowe i powstaje jako rezultat obliczenia CRC na zawartości ramki. Pole kontrolne
zajmuje dwa bajty dołączane na koocu ramki. Jako pierwszy przesyłany jest mniej znaczący bajt, jako ostatni starszy bajt,
który jest jednocześnie znakiem kooczącym ramkę.

Format znaku przy transmisji szeregowej

W standardzie MODBUS znaki są przesyłane szeregowo od najmłodszego do najstarszego bitu.

Organizacja jednostki informacyjnej w trybie ASCII:

 1 bit startu
 7 bitów pola danych, jako pierwsze wysyłany jest najmniej znaczący bit
 1 bit kontorli parzystości (nieparzystości) lub brak bitu kontroli parzystości
 1 bit stopu przy kontroli parzystości lub 2 bity stopu przy braku kontroli parzystości

Zasada wypracowania bitu kontroli parzystości w jednostce informacyjnej jest następująca :

 Kontrola parzystości (even parity) – bit posiada wartośd 1 , jeżeli ilośd jedynek na polu danych jest nieparzysta

oraz 0 ,jeżeli jest parzysta

 Kontrola nieparzystości (odd parity) – bit posiada wartośd 1 , jeżeli ilośd jedynek na polu danych jest parzysta

oraz 0 , jeżeli ilośd jedynek jest nieparzysta

Organizacja jednostki informacyjnej w trybie RTU:

 1 bit startu
 8 bitów pola danch, jako pierwszy wysyłany jest najmniej znaczący bit
 1 bit kontroli parzystości (nieparzystości) lub brak bitu kontroli parzystości
 1 bit stopu przy kontroli parzystości, lub 2 bity stopu przy braku kontroli parzystości

Pole danych znaku może byd (opcjonalnie) zabezpieczone bitem konroli parzystości lub nieparzystości. Wspomnanie
wcześniej zabezpieczenie LRC lub CRC dotyczy całej treści ramki. Oba zabezpieczenia, tzn. zabezpieczenie znaku roaz
całej ramki, generowane są przez urządzenie nadające i dołączane do wiadomości przed transmisją. Urządzenie
odbierające sprawdza bit parzystości znaku (o ile występuje) oraz słowo kontrolne.

Funkcje w MODBUS:

Na początku ramki odpowiedzi urządzenie slave umieszcza swój adres, po którym następuje kod wykonywanej funkcji
oraz dane stanowiące zawartośd odczytywanych rejestrów

Podstawowymi funkcjami w interfejsie MODBUS są:

 Odczyta stanu wybranego wejścia dwustanowego
 Odczyt stanu wybranego wyjścia dwustanowego
 Odczyt zawartości grupy rejestrów
 Ustawienie (ON/OFF) wybranego wyjścia dwustanowego
 Ustawienie (ON/OFF) grupy wyjści dwustanowych
 Zapis wartości początkowej do rejestru
 Zapis wartości początkowej do grupy rejestró1.
 Odczyt rejestru status urządzenia slabe
 Odczyt licznika komunikatów