Chương 2 giới thiệu các giao thức ghép nối, chia thành hai nhóm chính: giao thức định hướng vận chuyển và giao thức định hướng ứng dụng, cùng với các yêu cầu về tín hiệu, định dạng dữ liệu, tốc độ truyền và kiểm tra lỗi. Ngoài ra, chương cũng đề cập đến các phương pháp điều khiển và thông tin phản hồi, đồng thời trình bày các kịch bản đảm bảo không mất mát dữ liệu trong quá trình giao tiếp. Cuối cùng, tài liệu nêu chi tiết về các giao thức đa dạng như USB, RS-232 và RS-485, cùng với các khái niệm ôm gọn liên quan đến thiết bị ghép nối và yêu cầu kỹ thuật.

1. 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. 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

3. • 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

4. 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
Comm
Port
Modem
or
PC 2
DTR
DSR
Comm
Port
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 nhiễu, tốc độ thấp hơn so với cùng chuẩn
P&I-Ch2: Protocols
8
4

5. • 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

6. • 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 (
www.atmel.com )
• 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

7. H. 2.1d. Open Collector. Nếu là FET, so called
Open Drain
P&I-Ch2: Protocols
13
S¬ ®å c¸ch ly quang häc ®/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 cấpP&I-Ch2: Protocols
và Gnd(s)
14
7

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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 phápProtocols
lỗi
P&I-Ch2: mã hóa, giải mã và kiểm tra 21
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

12. 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).
P&I-Ch2: Protocols
23
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

13. 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
tương ứng để đảm
bảo việc ghép nối:
không mất tin, thừa
tin, quẩn, treo,
hỏng...
• Thường xây dựng:
Step List hoặc
Chart:
• Time Out !
Master
ENQ
Slave
ACK
NAK
nothing
Hinh 2.4. Scenario Chart
P&I-Ch2: Protocols
26
13

14. 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

15. 2.2. PHÂN MIỀN VÀ LỆNH I/O: 2.2.1. IO Mapping:
Hình 2.6. Phân miền các cổng I/O
P&I-Ch2: Protocols
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

16. 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
; Read KB port
out 23Eh, ax ;
lệnh sai, IOaddr>255
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)
000-00F
020-02F
040-05F
060-06F
070-071
080-083
Port Assignments
DMA Controller, đkh truy
nhập trực tiếp 1, 4 kênh 8 bit
Master PIC 8259A, ưu tiên
ngắt 1, IRQ0 – IRQ7
PIT, Programmable Interval Timer
Keyboard Port,
Real Time Clock và 64 byte
CMOS-RAM
DMA Page Register, giữ địa chỉ
cao
P&I-Ch2: Protocols
32
16

17. 0A0-0AF
0C0-0CF
0E0-0EF
110-16F
170-17F
180-1EF
1F0-1FF
200-20F
PIC #2, Bộ đkh ưu tiên ngắt
số 2, IRQ8 – IRQ15
DMAC #2, 3 kênh DRQ 16
bit
reserved, để dành
AVAILABLE, để dành
Hard Drive 1 (AT)
AVAILABLE
Hard Drive 0 (AT)
Game Adapter
P&I-Ch2: Protocols
210-217
220-26F
278-27F
280-2A1
2A2-2A3
2B0-2DF
2E2-2E3
2E8-2EF
2F0-2F7
2F8-2FF
300-31F
320-32F
33
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
AVAILABLE
P&I-Ch2: Protocols
34
17

18. 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
3C0-3CF
3D0-3DF
3E8-3EF
3F0-3F7
3F8-3FF
35
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

19. 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