Сети vs шины: понятное руководство по проводке в цифровых системах

Провода между баком и станцией мониторинга называют шиной или сетью. Различие между этими терминами больше семантическое, чем техническое, и на практике они часто используются как взаимозаменяемые. По моему опыту, термин «шина» обычно применяется к набору проводов, соединяющих цифровые компоненты внутри корпуса компьютерного устройства, а «сеть» — к чему-то физически более разветвленному.

В последние годы слово «шина» набрало популярность в описании сетей, специализирующихся на соединении дискретных измерительных датчиков на больших расстояниях (примеры — «Fieldbus» и «Profibus»). В любом случае речь идет о средствах, с помощью которых два или более цифровых устройства соединены для обмена данными.

Названия вроде «Fieldbus» или «Profibus» охватывают не только физическую проводку шины или сети, но также заданные уровни напряжений для связи, их временные последовательности (особенно для последовательной передачи), распиновку разъемов и все остальные отличительные технические особенности сети.

Иными словами, когда мы говорим о определенном типе шины или сети по имени, мы фактически говорим о стандарте коммуникации, примерно аналогичном правилам и лексике письменного языка. Например, прежде чем двое людей станут переписчиками, они должны уметь писать друг другу в общем формате.

Просто наличие почтовой системы, способной доставлять их письма, недостаточно. Если они договорились писать на французском, они соглашаются соблюдать конвенции набора символов, лексики, орфографии и грамматики, заданные стандартом французского языка.

Точно так же, если мы соединяем два устройства Profibus, они смогут общаться только потому, что стандарт Profibus определил такие важные детали, как уровни напряжений, временные последовательности и т.д. Просто натянуть набор проводов между несколькими устройствами недостаточно для построения работающей системы (особенно если устройства сделаны разными производителями!).

Для детальной иллюстрации спроектируем свой стандарт шины. Возьмем примитивную систему измерения уровня воды с пятью выключателями для обнаружения разных уровней и, используя (как минимум) пять проводов для передачи сигналов к назначению, заложим фундамент могучей BogusBus:

 

 

Физическая проводка BogusBus состоит из семи проводов между передатчиком (выключателями) и приемником (лампами). Передатчик включает все компоненты и соединения слева от крайних левых разъемов (символы «—>>—»). Каждый символ разъема представляет комплементарные мужской и женский элементы. Проводка шины — это семь проводов между парами разъемов.

Наконец, приемник и все его внутренние соединения лежат справа от крайних правых разъемов. Пять сетевых проводов (маркированных 1–5) несут данные, а два (маркированных +V и -V) обеспечивают питание постоянным током. Существует стандарт на 7-пиновые разъемы. Распиновка асимметрична, чтобы предотвратить «обратное» подключение.

Чтобы производители получили вдохновляющую сертификацию «BogusBus-совместимый», им придется соответствовать спецификациям разработчиков BogusBus (скорее всего, другой компании, спроектировавшей шину для конкретной задачи и в итоге продававшей ее для широкого круга задач). Например, все устройства должны уметь использовать 24-вольтовое питание BogusBus: контакты выключателей в передатчике должны быть рассчитаны на коммутацию этого напряжения, лампы — на питание от него, а разъемы — выдерживать всё это.

Проводка, конечно, также должна соответствовать стандарту: лампы 1–5 должны быть подключены к соответствующим пинам, чтобы когда замыкается LS4 передатчика производителя XYZ, загоралась лампа 4 приемника производителя ABC, и так далее. Поскольку и передатчик, и приемник содержат источники питания 24 В, все их комбинации (со всех сертифицированных производителей) обязаны иметь источники питания, которые можно безопасно соединять параллельно.

Представьте, что производитель XYZ сделал передатчик с минусовой стороной своего 24В источника, подключенной к земле, а производитель ABC сделал приемник с плюсовой стороной своего 24В источника, подключенной к земле. Если обе земли относительно «твердые» (низкое сопротивление между ними, как может быть, если заземление сделано на металлической конструкции промышленного здания), два источника питания закоротчат друг друга!

BogusBus, конечно, полностью гипотетический и крайне непрактичный пример цифровой сети. Он имеет невероятно низкое разрешение данных, требует обширной проводки и передает только в одном направлении (от передатчика к приемнику). Тем не менее, он служит учебным примером того, что такое сеть и какие соображения связаны с выбором и эксплуатацией сети.

Существует множество типов шин и сетей, с которыми вы можете столкнуться в профессии. У каждой свои применения, преимущества и недостатки. Стоит ознакомиться с частью «алфавитного супа», используемого для обозначения различных конструкций:

Шины малого расстояния

PC/AT
Шина в ранних IBM-совместимых компьютерах для подключения периферии (дискеты, звуковые карты) к материнской плате.

PCI
Другая шина ПК, не ограниченная IBM-совместимыми. Значительно быстрее PC/AT. Типичная скорость передачи 100 Мбайт/с (32 бита) и 200 Мбайт/с (64 бита).

PCMCIA
Шина для подключения периферии к ноутбукам. Очень компактная, но заметно медленнее других популярных шин ПК.

VME
Высокопроизводительная шина (совместно разработанная Motorola, основанная на их стандарте Versa-Bus) для построения универсальных промышленных и военных компьютеров, где несколько карт памяти, периферии и даже микропроцессоров могут вставляться в пассивную «стеллаж» или «клетку для плат» для кастомных систем. Типичная скорость 50 Мбайт/с (64 бита).

VXI
На самом деле расширение VME, VXI (VME eXtension for Instrumentation) включает стандартную шину VME плюс разъемы для аналоговых сигналов между платами в стойке.

S-100
Иногда называемая шиной Altair, этот стандарт был продуктом конференции 1976 года, предназначенным для интерфейса к микропроцессору Intel 8080. По философии похожа на VME: многофункциональные платы в пассивном стойке для кастомных систем.

MC6800
Эквивалент Motorola для Intel-центричной шины S-100, для интерфейса периферии к популярному микропроцессору Motorola 6800.

STD
Signifies Simple-To-Design, еще одна пассивная «стеллаж» похожая на PC/AT, хорошо подходит для дизайнов на базе IBM-совместимого железа. Разработана Pro-Log, 8 бит (параллельно), платы 4,5 на 6,5 дюйма.

Multibus I и II
Еще одна шина для гибкого дизайна кастомных компьютерных систем, от Intel. 16 бит (параллельно).

CompactPCI
Промышленная адаптация стандарта PCI ПК, спроектированная как более производительная альтернатива устаревшей VME. При такте шины 66 МГц скорости 200 Мбайт/с (32 бита) или 400 Мбайт/с (64 бита).

Microchannel
Шина, разработанная IBM для их обреченной серии PS/2, для интерфейса материнских плат ПК к периферии.

IDE
Шина в основном для подключения жестких дисков ПК к соответствующим контроллерам. Широко используется в современных ПК для интерфейса жестких дисков и CD-ROM.

SCSI
Альтернатива (технически превосходящая IDE) шина для дисковых накопителей ПК. SCSI = Small Computer System Interface. Используется в некоторых IBM-совместимых ПК, Macintosh (Apple), многих мини- и мейнфрейм-бизнес-компьютерах. Для жестких дисков, CD-ROM, флоппи, принтеров, сканеров, модемов и др. Скорость до 1,5 Мбайт/с для исходного стандарта.

GPIB (IEEE 488)
General Purpose Interface Bus, также HPIB или IEEE 488, для интерфейса электронного тестового оборудования (осциллографы, мультиметры) к ПК. 8-битный адрес/данные «путь» с 8 дополнительными линиями управления.

Centronics parallel
Широко используется в ПК для интерфейса принтеров и плоттеров. Иногда для других периферийных устройств, например внешних ZIP-дисков (100 Мбайт) и стримеров.

USB
Universal Serial Bus, для соединения множества внешних периферийных устройств (клавиатуры, модемы, мыши) с ПК. Долгое время на Macintosh, теперь устанавливается на новое оборудование IBM-совместимых машин.

FireWire (IEEE 1394)
Высокоскоростная последовательная сеть, способная работать на 100, 200 или 400 Мбит/с с универсальными функциями вроде «горячей подмены» (добавление/удаление устройств с включенным питанием) и гибкой топологией. Для высокопроизводительного интерфейса ПК.

Bluetooth
Радиосеть для офисного связывания компьютерных устройств. Встроенные средства защиты данных.

 

Сети большого расстояния

Токовый цикл 20 мА
Не путать с обычным аналоговым стандартом 4-20 мА, это цифровая сеть связи, основанная на прерывании тока 20 мА (иногда 60 мА) для представления двоичных данных. Низкое сопротивление дает хорошую помехоустойчивость, но уязвимо для обрывов проводки, отключающих всю сеть.

RS-232C
Самая распространенная последовательная сеть в компьютерных системах, часто для связывания периферии (принтеры, мыши) с ПК. Ограничена по скорости и расстоянию (обычно 45 футов и 20 кбит/с, хотя более высокие скорости возможны на более коротких кабелях). Я запускал RS-232 надежно на скоростях свыше 100 кбит/с, но это был кабель всего 6 футов! RS-232C часто называют просто RS-232 (без «C»).

RS-422A/RS-485
Две последовательные сети, преодолевающие ограничения RS-232C по дальности и универсальности. Широко используются в промышленности для соединения последовательных устройств в электрически «шумных» заводских средах. Значительно большие дальность и скорость, чем RS-232C, типично более полумили и скорости до 10 Мбит/с.

Ethernet (IEEE 802.3)
Высокоскоростная сеть, связывающая компьютеры и некоторые периферийные устройства. «Обычный» Ethernet работает на 10 Мбит/с, «Fast» Ethernet — на 100 Мбит/с. Медленный (10 Мбит/с) Ethernet реализован различными способов на медном проводе (толстый коакс = «10BASE5», тонкий коакс = «10BASE2», витая пара = «10BASE-T»), радио и оптоволокне («10BASE-F»). Fast Ethernet также реализован на нескольких средах (витая пара, 2 пары = 100BASE-TX; витая пара, 4 пары = 100BASE-T4; оптоволокно = 100BASE-FX).

Token ring
Еще одна высокоскоростная сеть для компьютерных устройств, с философией связи, сильно отличающейся от Ethernet, позволяющей более точные времена отклика отдельных устройств и большую устойчивость к повреждениям проводки.

FDDI
Очень высокоскоростная сеть, реализованная исключительно на волоконно-оптическом кабеле.

Modbus/Modbus Plus
Изначально реализована корпорацией Modicon, крупным производителем ПЛК (программируемых логических контроллеров) для связи удаленных стойк ввода/вывода с процессором ПЛК. Всё еще довольно популярна.

Profibus
Изначально реализована корпорацией Siemens, другим крупным производителем ПЛК.

Foundation Fieldbus
Высокопроизводительная шина, специально спроектированная для того, чтобы множественные процессные приборы (передатчики, контроллеры, позиционировщики клапанов) могли общаться с хост-компьютерами и друг с другом. В конечном счете может вытеснить аналоговый сигнал 4-20 мА как стандарт средство соединения приборов процессного управления.