REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA

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2 CENTRO FEDERAL DE ENSINO TECNOLÓGICO DE SANTA CATARINA UNIDADE DESCENTRALIZADA DE SÃO JOSÉ CURSO TÉCNICO DE TELECOMUNICAÇÕES REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA CAPÍTULO 5 Interfaces Digitais Prof. Jorge H. B. Casagrande OUTUBRO 2006

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4 SUMÁRIO INTERFACES DIGITAIS Introdução Características Elétricas Premissa para a Padronização das Interfaces Digitais Interface RS Características Mecânicas...8 Resumo dos circuitos da interface digital RS232 e RS232C (CANAL PRINCIPAL) Designação de pinos e descrição funcional Cabos Lógicos Interface V Resumo dos circuitos da interface digital V Interface V Resumo dos circuitos da interface digital V.36 (V.11) Interface RS Interface G.703/G Interface USB - Universal Serial Bus Interface Ethernet

5 5. INTERFACES DIGITAIS 5.1. Introdução Conforme visto anteriormente pode-se dividir os equipamentos utilizados em uma comunicação em três grupos: equipamentos terminais de dados (DTE s), equipamentos de comunicação de dados (DCE s) e equipamentos de comutação de dados (DSEs). A transferência de dados entre equipamentos de mesmo grupo ou de grupos diferentes deve ser realizada por alguma interface digital (ID). A interface pode ser definida pelo tipo de sinal, pelo cabo e conector para carregar o sinal e pelas regras lógicas e elétricas a serem respeitadas nas conexões. Em síntese, é necessário definir: Características Mecânicas: dimensões do conector, número de pinos, designação dos pinos, diâmetro dos pinos e soquetes e características do cabo. Características Elétricas: taxa de dados máxima, identificação de níveis de tensão ou corrente (que representa o status do sinal) e especificações dos circuitos receptor e transmissor. Descrição Funcional dos Sinais : é a função de cada pino, sua origem e sua relação com os outros sinais. Entre estes pinos encontram-se os sinais de controle, handshaking que permitem a realização de protocolos a nível de hardware. Considerando que um sinal para ser transmitido se comporta como uma fonte, necessitamos sempre dois fios (sinal e retorno) para fechar o circuito. Nesta idéia surgem definições importantes na classificação destes sinais. Uma das características relacionadas a interfaces é o modo como é realizado a transmissão do sinal: diferencial ou não. A transmissão diferencial baseia-se na transmissão de um mesmo sinal sobre dois fios, porém defasados de 180º entre eles. Esta tensão alterna-se, por exemplo, de 5V-0V em um fio para 0V-5V no outro. A transmissão não diferencial utiliza-se do terra (GND) para referência na transmissão e vários sinais podem utilizar esta referência em comum, economizando o número de fios. Uma desvantagem desta abordagem é o fato de que os ruídos, que aparecem normalmente no sistema, são em relação ao terra o que na transmissão diferencial é contornado pelo fato de a indução do ruído, que é igual nos dois fios, se anula no circuito de recepção diferencial. Desta forma as transmissões diferenciais permitem uma melhor qualidade do sinal e em velocidades maiores (que variam em altas freqüências). Outra característica importante relacionada aos circuitos de interface é que estas ainda podem ser Balanceadas ou não. Os circuitos não balanceados são próprios dos sinais não diferenciais que utilizam um único sinal de referência, um circuito de terra ou retorno comum. Como o cabo de interface apresenta resistência elétrica ainda que muito pequena, uma queda de tensão se desenvolve ao longo do fio terra para cada 3

6 sinal distinto. Essas tensões de cada sinal representarão um ruído para os demais sinais que utilizam o mesmo retorno. Isto limita a velocidade e a distância que os sinais não balanceados podem alcançar sem serem distorcidos. Normas que especificam apenas o aspecto elétrico e que empregam circuitos não balanceados são a ITU-T V.28 e a EIA RS422. Gerador não balanceado Ex. circuito não balanceado Receptor diferencial Pinos correspondentes no conector da ID Gerador balanceado com sinal diferencial Ex. circuito balanceado Receptor diferencial balanceado Um circuito balanceado, assim como nos sinais diferenciais, apresenta um retorno exclusivo para si. As características elétricas do sinal transmitido, assim como o meio do qual vai ser transmitido e a carga no lado do receptor, devem ser idênticas. Nesta idéia portando, é desejável que sinais diferenciais sejam transmitidos sobre circuitos balanceados Como cada sinal diferencial necessita de dois pinos em um dado conector, as interfaces tendem a empregar conectores maiores e mais caros ou mesmo reduzir o número de funções. Os padrões de interface foram desenvolvidos para assegurar a compatibilidade entre as unidades fornecidas por fabricantes diferentes. A associação da indústria de eletrônica (EIA) produziram padrões como RS485, RS422, RS232, RS423 que trata das transmissões de dados. As sugestões são feitas frequentemente para tratar dos problemas práticos que puderam ser encontrados em uma rede típica. Os padrões da EIA utilizaram o prefixo RS para indicar o padrão recomendado (recomendation standart); Entretanto, os padrões são agora geralmente indicados como os padrões de EIA para identificar a organização de padrões. Algumas normas como a EIA RS232 especificam apenas circuitos não balanceados e as interfaces que a seguem são designadas também como não-balanceadas. Outras normas, como a V.35, EIA RS530 e RS499, utilizadas em conexões de mais alta velocidade, especificam circuitos balanceados para sinais de sincronismo e dados e circuitos não balanceados para os sinais de controle. Estas são ditas interfaces mistas. Todas as normas definem limites elétricos para que um sinal seja considerado no estado 1 ou no estado 0. Normalmente define-se limites mínimos e máximos que o receptor deve discriminar e suportar e o acionador respeitar para não causar dano ao receptor. Dependendo do meio ou modo de comunicação utilizado podem ser utilizadas diferentes interfaces, onde em cada uma delas existem sinais específicos para a comunicação DTE-DCE. Existem vários padrões de interface tais como: RS232, 4

7 GPIB 488, Centronics, RS-485, V.35, etc. Na comunicação de dados em equipamentos de rede as IDs mais utilizadas são a RS-232 e a V Características Elétricas As características elétricas das IDs são definidas por um modelo elétrico correspondendo a um gerador ( driver ), caso o circuito seja de saída, e uma carga (terminador), caso o circuito seja de entrada: D R I V E R V 0 R 0 C 0 VL C L R L E L T E R M I N A D O R Fig Modelo Elétrico de um circuito (CT) de uma Interface Digital Cada padrão de ID ajusta basicamente os valores desses parâmetros de acordo com sua aplicação. Em qualquer equipamento que utilize esses padrões, deve respeitar suas exigências, independente do tipo de conector que será utilizado Premissa para a Padronização das Interfaces Digitais. Para definir que sinais serão importantes na camada física na ligação entre dois equipamentos que desejam trocar dados e qual a funcionalidade dos mesmos, parte-se de uma premissa básica: O propósito geral para desejar trocar dados entre dois equipamentos terminais de dados (DTE) é justamente para utilizarmos estes dados para as aplicações que estão rodando nestes pontos. Como nestas situações, estaremos com os DTE s distantes, a presença do modem (DCE) é imperativa. E quem terá que controlar o fluxo dos dados trocados entre estes DTE s são obrigatoriamente os modems. Portanto, todas as padronizações de origem e destino dos sinais trocados entre os DTE s parte da idéia que um DCE estará conectado ao DTE a exemplo de nosso modelo básico de comunicação de dados que estamos tratando até aqui e nos próximos capítulos. Entender esta filosofia de concepção das interfaces digitais ajuda muito no entendimento de seus sinais e suas características elétricas e funcionais. 5

8 Os tipos mais básicos de interface utilizados só possuem o compromisso de estender a comunicação a longa distância entre os DTE s sem que fosse necessário o uso de modems. È o caso da Interface digital por loop de corrente. Esta interface foi utilizada desde os primórdios da telegrafia e pode permitir comunicações a grandes distâncias. A interface de Loop de Corrente prevê somente os sinais de transmissão TD com retorno e de Recepção RD com retorno (são necessários 4 fios para uma operação full duplex ). A transmissão de um sinal com nível lógico 1 corresponde a uma corrente de aproximadamente 20 ma enquanto o 0 corresponde a não transmissão de corrente elétrica. Observe-se que a fonte de alimentação das interfaces Loop de Corrente deve ser capaz de garantir a corrente em torno dos 20 ma. Para baixas taxas de transmissão, os sinais da interface loop de corrente podem alcançar vários de kilômetros. Ex: Uma implementação de um circuito (2 fios - simplex) de Loop de Corrente fazendo uso de optoacopladores é mostrada na Fig Os optoacopladores isolam eletricamente o transmissor e o receptor, protegendo-os contra possíveis surtos de tensão. Fig.5.2- Loop de Corrente Nosso objetivo neste curso é tratar das interfaces mais comuns encontradas nos DTEs e DCEs. A RS232 e a V.35 serão mais detalhadas a seguir Interface RS232 Esta interface foi definida pela EIA dos Estados Unidos da América e é utilizada como um padrão para a interconexão entre DTE s e DCE s empregando transferência de dados binários da forma serial. A ITU-T, através das recomendações V.24 (características mecânicas) e V.28 (características elétricas), define praticamente a mesma interface RS232C. 6

9 A RS232C é não diferencial e abrange velocidades até 20 Kbps. O alcance máximo teórico previsto dos cabos lógicos é de até 15 metros podendo exceder esta especificação caso se baixe a velocidade ou se utilize um cabo de baixa capacitância. Nesta ID, as seguintes características elétricas (ver fig. 5.1) devem ser satisfeitas: Vo < 25 V - tensão em aberto do gerador 3kohm < RL < 7Kohm - resistência DC da carga CL < 2500pF - capacitância associada ao terminador dv/dt < 30V/us - Slew Rate Co - Não especificada - capacitância associada a saída do driver Ro - Não especificada - resistência interna do driver (em geral de 50 a 300 ohms) E L - Máximo 2 volts - Tensão gerada em aberto pelo terminador Estas características são as mesmas recomendadas pela CCITT V28. Os níveis especificados para cada estado dos sinais são (V L ): sinais de controle: 1 - ON - +3 a +25V (ativado) 0 - OFF - -3 a -25V (desativado) sinais de dados: 1 - Marca - -3 a -25V 0 - Espaço - +3 a +25V As duas limitações básicas do sinal na interface RS232 são: slew rate mede o quão rápido a voltagem de saída do driver pode variar. O slew rate depende da capacitância da carga e deve ser inferior ou igual a 30V/us. o tempo requerido para passar por uma transição (de -3 a +3V ou vice-versa) não deve exceder 1ms ou 4% do tempo de um bit (a menor delas). Na prática um projetista não necessita se preocupar em projetar todo o circuito necessário a implementação da interface. Vários fabricantes fornecem CI s específicos para implementar as várias interfaces. No caso da RS232 podemos destacar os drivers MC1488 e MC1489 bem como os drivers MAX232 (alimentados com 5V mas necessitam de capacitores externos). 7

10 Exemplo: C.I. (driver) MAX232 Conector e pinos correspondentes da RS232 Cabo Lógico conduzindo sinais padrão da ID TD (nível TTL) RD (nível TTL) RD (nível TTL) TD (nível TTL) Fig Drivers MAX232 para implementação da RS Características Mecânicas O conector padrão utilizado para a interconexão é o DB25 (conector 25 pinos tipo D) e é compatível com a ISO2113. O DB25 pode ser macho (no DTE) e fêmea (no DCE). Há também a variação da RS232 (a RS232C) que utiliza o conector DB9 como versão compacta para comunicações exclusivamente assíncronas. O pinout (ou seja, a correspondência pino-sinal) destes padrões está detalhado na tabela a seguir. 8

11 Fig Conector DB-25 da RS232 (referência pinagem do conector tipo MACHO) 9

12 Resumo dos circuitos da interface digital RS232 e RS232C (CANAL PRINCIPAL) PINO DB9 PINO DB25 CIRCUITO (CT) SINAL ORIGEM FUNÇÃO Terra - TERRA DE PROTEÇÃO TD DTE DADOS TRANSMITIDOS RD DCE DADOS RECEBIDOS RTS DTE PEDIDO PARA TRANSMITIR CTS DCE PRONTO PARA TRANSMITIR DSR DCE MODEM PRONTO GND - TERRA DIGITAL DCD DCE PORTADORA DETECTADA V DCE ALIMENTAÇÃO EXTERNA V DCE ALIMENTAÇÃO EXTERNA TC DCE RELÓGIO DE TRANSMISSÃO RC DCE RELÓGIO DE RECEPÇÃO DTE COMANDO DE LAL /2 DTR DTE TERMINAL DE DADOS PRONTO DTE COMANDO DE LDR RI DCE INDICADOR DE CHAMADA (RING) /112 - DTE/DC E SELEÇÃO DE TAXA DE TRANSMISSÃO TCKE DTE RELÓGIO DE TRANSMISSÃO EXTERNO TEST DCE MODEM EM TESTE Designação de pinos e descrição funcional Quanto a funcionalidade os pinos podem se enquadrar na seguinte classificação: dados, controle, sincronismo, circuitos secundários e terra. Principais sinais de controle ( handshaking ): 10

13 DTR e DSR ( Data Terminal Ready - pino 20 e Data Set Ready - pino 6) - O DTR (DTE->DCE) indica que a interface do lado DTE está ativada. Em sistemas de linha discada o sinal DTR pode significar uma solicitação de conexão através do modem. O sinal DSR (DCE->DTE) é uma indicação de que os circuitos do modem estão prontos para comunicação e o mesmo não está em modo teste. RTS e CTS ( Request To Send -- pinos 4 e Clear To Send - pino 5) - Em geral estes sinais são utilizados para controlar o fluxo de dados entre DTE e DCE. O sinal RTS (DTE->DCE) também é utilizado para comandar a colocação da onda portadora no meio de transmissão. O sinal CTS (DCE->DTE) é uma indicação de que o modem está pronto para transmitir os dados. DCD ( Data Carrier Detected - pino 8 - DCE->DTE) - Indica o recebimento da onda portadora de um modem remoto. Principais Sinais de Sincronismo TC e RC (pinos 15 e 17 - DCE -> DTE) - Estes sinais provem do DCE e constituemse nas bases de tempo a serem utilizadas na transmissão e na recepção dos sinais de dados de uma comunicação síncrona. O sinal TC é o clock que dará o compasso para a transmissão de dados; este sinal provém de uma de três fontes selecionáveis em um DCE: relógio interno do modem, relógio regenerado do modem remoto ou relógio externo (TCKE) fornecido pelo próprio DTE. A variação ON-OFF do sinal RC indica ao DTE o centro de um bit válido em RD. TCKE (pino 24 - DTE -> DCE) - Sinal gerado pelo DTE que fornece o sincronismo opcional do sinal TD (em uma comunicação síncrona). A transição ON-OFF deste sinal indica o centro de cada um dos bits transmitidos por TD. A atenção maior de todos esses sinais na realidade deve ser dada a transmissão de dados, que tem origem como TD no DTE e RD no DCE. A saída deste sinal nestes equipamentos vai depender do estado lógico dos sinais de sincronismo e controle envolvidos em cada aplicação. Se considerarmos o uso total de sinais das IDs, só temos a liberação de transmissão de dados se for satisfeita a condição de sinal ativo nos seguintes sinais: LADO DTE: CTS > DSR > DCD > TC > RC = liberação TD LADO DCE: RTS > DTR > TCKE = liberação RD Observe que se tratarmos do conjunto da comunicação entre os dois equipamentos DTE e DCE, teríamos que possuir todos os sinais ativos para que seja possível o início do fluxo de dados entre eles. Quando conectamos equipamentos iguais, um DTE com DTE por exemplo, é necessário que um para o outro simulem a presença 11

14 dos sinais que teriam origem em um DCE. Isso não seria muito difícil de resolver, o DTR de um DTE pode servir como origem para o DSR do outro DTE e vice-versa. A idéia do cross-over continua valendo para todos os sinais, devendo ser preservada as suas funções nestas IDs Cabos Lógicos Observe que todos os sinais possuem um local de origem, seja em um DCE ou DTE. Fica evidente que a origem do sinal determina que naquele pino do conector, para aquele equipamento existe uma fonte (driver) constituída segundo as características elétricas de acordo com o tipo de ID. Naturalmente as várias aplicações existentes na interconexão entre quaisquer equipamentos através da interface digital vão exigir alguns ou todos os sinais desta. Nestas situações temos que analisar caso a caso para realizar a confecção do cabo lógico adequado que interligará os equipamentos. Esta análise resume-se em interligar os sinais de acordo com a sua função na aplicação evitando as ligações de saída com saída ou entrada com entrada. Isto além de não produzir efeito funcional causa danos a interface. A idéia é análoga para qualquer tipo de interface. A comunicação mais simples DTE-DTE, em modo assíncrono, pode ser realizada pelo uso dos pinos TD (pino 2) e RD (pino 3) destes sinais juntamente com o GND (pino 7). Como a RS232 não se utiliza de transmissão diferencial o terra deve ser conduzido no cabo de transmissão. Neste caso é necessário utilizar-se de um cabo lógico com configuração chamada de null-modem ou seja, o TD (saída para o caso de DTE) é conectado ao RD (entrada para o caso de DTE) do DTE remoto e vice-versa. Os cabos lógicos que interligam DTE com DTE ou DCE com DCE são comumente chamados de cabos cross-over. DTE - DB25 fêmea DTE - DB25 fêmea RS232 2-TD 3-RD 2-TD 3-RD RS232 7-GND 7-GND Fig Exemplo de esquema de cabo cross-over sem sinais de controle e sincronismo No caso de comunicação síncrona faz-se necessário o uso dos sinais de sincronismo que permitirão o transporte dos sinais de relógio de transmissão e de recepção. As suas conexões podem envolver combinações entre os sinais TC, RC e TCKE. A configuração do cabo vai depender da aplicação. 12

15 Para as conexões DTE-DCE, a compatibilidade dos sinais é total e a ligação entre estes equipamentos é feita por um cabo lógico chamado comumente de cabo pino-àpino ou um para um (1:1). A conexão entre DTE s diretamente via RS-232C pode ser prejudicada quando as distâncias envolvidas forem superiores a 15 metros. Existem outras interfaces, tais como a RS-422, RS-423, RS485 que possibilitam a comunicação a distâncias maiores e com velocidades maiores. DTE - DB25 fêmea 2-TD DCE - DB25 macho 2-TD RS232 3-RD 3-RD RS232 7-GND 7-GND Fig Exemplo de esquema de cabo pino-à-pino sem sinais de controle e sincronismo. Na prática, a confecção de cabos lógicos requer um conhecimento detalhado da aplicação envolvida com os equipamentos que serão interconectados através de suas IDs. A tarefa fica um pouco mais complicada quando os equipamentos são síncronos, de mesmo tipo (DTE ou DCE) e exigem sinais de controle. Some-se a isso o custo dos cabos multipares flexíveis (cabo manga ) e dos conectores. Quanto mais pinos inclusos no alojamento do conector ou pares de fios dos cabos manga e sua características como blindagem e pareamento (pares independentes e trançados), maior o custo final do cabo lógico. Hoje o cabo lógico ainda representa um componente com um custo significativo na construção de um circuito de dados. Neste aspecto, controlar seu custo de confecção pode ser bastante saudável para o bolso! Para auxiliar nesta tarefa sugere-se as seguintes dicas: 1) Identifique bem qual a aplicação para determinar que sinais REALMENTE serão necessários para os padrões mecânicos e funcionais das Interfaces Digitais. Destaque em seu diagrama: a) Tipos das Interfaces Digitais; b) Padrão mecânico de conectores utilizados nas IDs dos equipamentos conectados. Lembre-se que os padrões mecânicos de conectores que serão necessários nas extremidades do cabo lógico terão seus tipos (macho ou fêmea) opostos ao dos equipamentos; c) Distância entre as IDs a serem conectadas; d) Modo de comunicação e fonte de sincronismo (no caso síncrono); e) Sinais de controle efetivamente utilizados. 13

16 2) Utilizando o pinout da ID, faça um diagrama elétrico do cabo lógico destacando nele: a) Os conectores de suas extremidades; b) Somente os pinos que serão efetivamente utilizados. Identifique em cada um deles o número e o nome do sinal correspondente. Lembre-se que um DTE ligado a um DCE utiliza cabos pino-a-pino. Se contrário, ele será cross! c) Represente na configuração do cabo lógico as ligações entre pinos das duas IDs respeitanto 3 regras básicas: i) NUNCA conectar fonte com fonte de sinal (voce pode danificar a ID do equipamento!) ii) Não conecte pinos carga (destino) com carga. iii) Faça a ligação fechando o circuito corretamente da ID com o par Origem/Destino respeitando a descrição funcional dos mesmos. 3) Finalize a especificação do cabo destacando quantas vias serão necessárias para o cabo manga e se o mesmo deverá conter blindagem ou pareamento. Em geral a malha é ideal para conexões acima de 15m e o pareamento para interfaces com circuitos diferenciais (veja a V. 35 ou V. 36). O número de pinos dos conectores também deverá ser indicado Interface V.35 Os sinais digitais presentes nesta interface (relógio e dados) são do tipo diferencial e balanceados de acordo com a recomendação V.35 do ITU-TS. Os sinais de controle seguem a recomendação V.28, ou seja, não balanceados. Esta interface é utilizada em velocidades superiores à 48Kbps síncronas. A funcionalidade dos sinais é análoga aos estudados na RS232. A conexão mecânica da V.35 é realizada através de um conector retangular de 34 pinos do tipo fêmea. As dimensões físicas deste conector obedecem o padrão ISO Opcionalmente pode ser utilizado a conexão mecânica com conectores DB25 com pinagem padrão ISO2110 ou TELEBRÁS ( ). A tabela a seguir detalha o padrão mecânico e funcional para os padrões TELEBRÁS e ISO

17 Fig Conector M.34 (referência pinagem do conector tipo MACHO) 15

18 Resumo dos circuitos da interface digital V.35 PINO M34 ISO2593 PINO DB25 ISO2110 PINO DB25 TELERÁS Circuito (CT) SINAL ORIGEM FUNÇÃO A P.GND - TERRA DE PROTEÇÃO B 7 23 P 2 S 14 R 3 T a 102b S.GND - TERRA DIGITAL SDa DTE DADOS TRANSMITIDOS 15 SDb RDa DCE DADOS RECEBIDOS 17 RDb C RS DTE PEDIDO PARA TRANSMITIR D CS DCE PRONTO PARA TRANSMITIR E DM DCE MODEM PRONTO H DT DTE TERMINAL PRONTO F RR DCE PORTADORA DETECTADA U W TTa TTb DTE RELÓGIO DE TRANSMISSÃO EXTERNO Y AA/aa STa STb DCE RELÓGIO DE TRANSMISSÃO V RTa DCE RELÓGIO DE RECEPÇÃO X 9 19 RTb 16

19 5.6. Interface V.36 A interface V.36 é uma versão para aplicações similares a V.35. No entanto seu padrão é apropriado para ambientes onde existe a possibilidade maior de interferências e ruídos. Para isso, esta interface utiliza todos os grupos de sinais, incluindo o de controle com sinais do tipo diferenciais e seguem as características elétricas da recomendação V.11 do ITU-TS para dados e relógios e V.10 e V.11 para os sinais de controle. Isto sugere uma quantidade maior de pinos em seu padrão mecânico. Neste caso, o conector padrão é o DB37 mas também é especificado a versão compacta utilizando novamente o DB25 como alternativa. Opcionalmente pode ser utilizado a conexão mecânica com conectores DB25 com pinagem padrão ISO2110 ou TELEBRÁS ( ). A tabela a seguir detalha o padrão mecânico e funcional para os padrões TELEBRÁS e ISO4902. Outros padrões conhecidos de interfaces nesta linha de circuitos diferenciais, são os EIA-449 e EIA-530. Eles são implementadas de maneira idêntica a V.36, utilizando inclusive a mesma mecânica deste padrão. O EIA/TIA-449 é uma interface desenvolvida pela EIA e pela TIA, como uma versão mais rápida (até 2Mbps) do EIA/TIA-232 capaz de suportar lances de cabo mais extensos. Anteriormente era chamada de RS-449. Já a EIA-530 refere-se a duas implementações elétricas do EIA/TIA-449: RS-442 para transmissões equilibradas, ou balanceadas e a RS-423 para transmissões desequilibradas, ou desbalanceadas. 17

20 Resumo dos circuitos da interface digital V.36 (V.11) PINO DB37 ISO2593 PINO DB25 ISO2110 PINO DB25 TELERÁS Circuito (CT) SINAL ORIGEM FUNÇÃO P.GND - TERRA DE PROTEÇÃO a 102b S.GNDa S.GNDb - TERRA DIGITAL (DE SINAL) a 103b Sda SDb DTE DADOS TRANSMITIDOS a RDa DCE DADOS RECEBIDOS b RDb a 105b RSa RSb DTE PEDIDO PARA TRANSMITIR a 106b CSa CSb DCE PRONTO PARA TRANSMITIR a DMa DCE MODEM PRONTO b DMb a DTa DTE TERMINAL PRONTO b DTb a 109b RRa RRb DCE PORTADORA DETECTADA a 113b TTa TTb DTE RELÓGIO DE TRANSMISSÃO EXTERNO a 114b STa STb DCE RELÓGIO DE TRANSMISSÃO a 115b RTa RTb DCE RELÓGIO DE RECEPÇÃO 18

21 5.7.Interface RS 485 A interface RS-485 possui um padrão singular para aplicações em redes multiponto. Composta por características elétricas de Drivers Diferenciais Balanceados (Balanced Differential Drivers) com saída tri-state, sua aplicação se estende até aplicações como a de construção de redes locais. Uma rede RS-485 pode ser conectada em uma modalidade de 2 ou 4 fios. O comprimento de cabo máximo pode ser até 4000 pés por conta das vantagens do sistema diferencial da transmissão do sinal utilizado. O uso típico para RS485 é um único PC conectado a diversos dispositivos endereçáveis que compartilham do mesmo cabo. O padrão RS232 pode ser convertido a RS485 com um conversor de relação simples - pode ter a isolação elétrica como a interface por loop de corrente mostrada anteriormente. A RS232 (single-ended) foi introduzido em 1962, e apesar dos boatos de um padrão sem aplicação adiantado, remanesceu contrariamente e foi extensamente utilizado na indústria. A especificação permite a transmissão de dados de um transmissor a um receptor. A RS485 adequa-se com as exigências para uma rede de comunicações verdadeiramente multi-point, e o padrão especifica até 32 drivers e 32 receptores em um único barramento (2 fios). Com a introdução de repetidores automáticos e de drivers/receptores alta impedância (tri-state) esta limitação pode ser estendida às centenas (ou mesmo aos milhares) dos nós em uma rede. Também, os drivers RS485 podem resolver os problemas das colisões dados (disputa da barramento) e condições de falha do mesmo. A seguir apresenta-se uma tabela comparativa entre alguns padrões elétricos citados ou discutidos neste capítulo: 19

22 SPECIFICATIONS RS232 RS423 RS422 RS485 Mode of Operation Total Number of Drivers and Receivers on One Line (One driver active at a time for RS485 networks) SINGLE -ENDED 1 DRIVER 1 RECVR SINGLE -ENDED 1 DRIVER 10 RECVR DIFFERENTIAL DIFFERENTIAL 1 DRIVER 10 RECVR 32 DRIVER 32 RECVR Maximum Cable Length 50 FT FT FT FT. Maximum Data Rate (40ft ft. for RS422/RS485) 20kb/s 100kb/s 10Mb/s-100Kb/s 10Mb/s-100Kb/s Maximum Driver Output Voltage +/-25V +/-6V -0.25V to +6V -7V to +12V Driver Output Signal Level (Loaded Min.) Driver Output Signal Level (Unloaded Max) Loaded +/-5V to +/-15V +/-3.6V +/-2.0V +/-1.5V Unloaded +/-25V +/-6V +/-6V +/-6V Driver Load Impedance (Ohms) 3k to 7k >= Max. Driver Current in High Z State Max. Driver Current in High Z State Power On N/A N/A N/A +/-100uA Power Off +/-2v +/-100uA +/-100uA +/-100uA Slew Rate (Max.) 30V/uS Adjustable N/A N/A Receiver Input Voltage Range +/-15V +/-12V -10V to +10V -7V to +12V Receiver Input Sensitivity +/-3V +/-200mV +/-200mV +/-200mV Receiver Input Resistance (Ohms), (1 Standard Load for RS485) 3k to 7k 4k min. 4k min. >=12k Ref: em 18/10/ Interface G.703/G.704 Esta interface descreve as características elétricas de sinais necessários para viabilizar a interconexão de equipamentos em uma rede digital, em velocidades superiores à 64Kbps síncronas em um padrão mecânico simplificado. Um único sinal elétrico na forma digital codificada é colocado em cada par de condutores sinal/retorno resumindo a complexidade da interface para um único par de entrada/saída. Normalmente esta interface segue a recomendação G.703 do ITU-TS onde na velocidade de 2048Kbps é utilizado o código HDB3 (veremos mais detalhes no módulo 3) e na velocidade 64Kbps segue o padrão codirecional (Prática TELEBRÁS parágrafo 12). Outras velocidades intermediárias também podem ser encontradas em alguns equipamentos, no entanto, como não são padronizadas pelo ITU-TS, em geral se utilizam do código HDB3. O padrão mecânico fica então limitado a um par de conectores do tipo BNC (para cabo Coaxial 75 ohms) ou borne 4 fios (par trançado 120 ohms). Veja a figura a 20

23 seguir, ilustrando os adaptadores mais usuais e seu detalhamento de conexões elétricas com o DB25. Fig. 5.8 Adaptador G Ω para DB25 2Mbps (esquerda) e G Ω 64Kbps codirecional (direita) Ainda na camada física, a transmissão de dados no padrão G.703 à 2048Kbps é estruturada em quadros conforme o padrão de empacotamento G.704. Neste caso, normalmente o par de padrões G.703/G.704 também é chamada de interface E1. Um estudo à parte deste padrão seria necessário para conhecer como é organizada e transmitida a informação. No entanto, esse conteúdo não faz parte do objetivo neste curso. Como pode-se observar, esse padrão não utiliza sinais de controle ou sincronismo via hardware como os dos outros tipos de interfaces. Na realidade eles estão compostos no próprio sinal elétrico de forma codificada no caso de transmissão do tipo codirecional ou intrínsecas no padrão de empacotamento G.704. EXEMPLO DE OPERAÇÃO Á 64 KBPS UTILIZANDO INTERFACE G703 CODIRECIONAL Esta interface é chamada de codirecional pois a temporização (sincronismo) tem o mesmo sentido de envio dos dados, já que neste caso ela segue misturada com o próprio sinal de transmissão. Ela é constituída por dois pares simétricos, um para a transmissão e outro para a recepção. Estes pares são acoplados através de transformadores de isolamento e sem polaridade. Ela codifica em cada par de fios, as informações de dados, o relógio de bits a 64Kbps e o relógio de octetos a 8 Khz, segundo os seguintes passos: cada período de bit a 64 Kbps é dividido em 4 intervalos unitários; 21

24 binário 1 é codificado por 1100, onde 1 indica pulso e 0 ausência de pulso; o binário 0 é codificado por 1010; o sinal binário é convertido a um sinal de 3 níveis (pulso positivo, negativo e ausência de pulso). A cada bit, é alternada a polaridade dos pulsos; a informação de último octeto é enviada violando a alternância de polaridade dos pulsos. Desta forma, os pulsos do bit 8 do octeto têm a mesma polaridade do bit 7 deste mesmo octeto. A atenuação nos pares de transmissão e recepção não deve ser maior que 3 db na freqüência de 128 Khz, conforme especificado na recomendação G.703. Outro cuidado a tomar é que os pares não possuam derivações em aberto, pois as mesmas causam reflexão de sinal e distorcem o sinal do receptor G.703, causando erros. Posição do bit Bit de dados Passo 1-3 Passo 4 Passo 5 violação violação Fig. 5.9 Sinal G Kbps codirecional É também comum definir para interfaces de alta velocidade os conceitos de sincronismo contra-direcional e de clock centralizado. No primeiro caso, os sinais de temporização são encaminhados em sentido contrário ao equipamento que envia os dados (a transmissão de dados sinal TD de um DTE com interface V.35 ou RS232 é um exemplo disso). Já no tipo clock centralizado, um equipamento com o sincronismo de referência é utilizado para fornecer a temporização para ambas as direções de transmissão da informação mais raro. 22

25 5.9. Interface USB - Universal Serial Bus Este não é um tipo de interface padrão para comunicação de dados no que se refere a aplicações gerais em telecomunicações. A USB está associada a interligação periférica de dispositivos de um DTE. No entanto, alguns serviços de acesso como a Internet via ADSL, já estão presentes com equipamentos da ponta (CPE modem ADSL) portanto este tipo de interface. Oportuno aqui destacar algumas particularidades deste tipo de interface. Este tipo de Bus, implementado nas placas mãe através de pequeno conector, utiliza a tecnologia Plug and Play e permite a ligação de até 127 periféricos ligados seqüencialmente neste único conector. Todos os periféricos ali ligados utilizarão uma única interrupção e um único endereço. Sua performance é em média cem vezes superior a uma porta serial comum, podendo também suprir a alimentação requerida pelo periférico. Esta tecnologia foi desenvolvida pela Compaq, Digital Equipments, IBM, Intel, Microsoft, Nec e Northem Telecom tendo como compromisso a ligação de forma simples, fácil e rápida. O uso da interface USB está se tornando comum nos notebooks. Atenção especial deve ser dada ao uso de periféricos tipo USB nestes tipos de equipamentos, que poderão reduzir o tempo de utilização da bateria do notebook drasticamente. Periféricos tipo máquinas fotográficas digitais, scanners, mouses, caixas de som e outros, com a interface USB já estão sendo produzidos e comercializados no mercado. O grande benefício da interface USB para o usuário, é a facilidade de instalação de um novo periférico ao computador. Utilizando um Sistema Operacional que suporte o padrão USB, a simples conexão de um periférico fará com que o sistema o identifique automaticamente, solicitando então pelo seu driver de software, caso este não faça parte dos existentes no sistema instalado. Problemas de interrupções (IRQ) durante a instalação de um novo dispositivo também acabam com o uso da interface USB. Apenas uma interrupção é necessária para o controle de todos os dispositivos USB conectados ao sistema, acabando assim com os problemas antigos de "Conflitos de IRQ". Além de sua alta velocidade de comunicação com o dispositivo conectado a sua porta - 12Mbps (ou seja praticamente 100x mais rápida que a comunicação por porta paralela), a porta USB tem capacidade de proporcionar alimentação com corrente de até 500ma. Para usuários com placas mãe antigas sem a interface USB, existe no mercado placa PCI / USB que é uma interface USB. Esta placa é plugada em conector PCI do seu computador. 23

26 Abaixo algumas características comparativas importantes da interface USB: Descrição USB Porta Serial Porta Paralela Velocidade 12Mbps 9.6kbps até 115.2kbps dep. do hardware 150kbps Múltiplos dispositivos suportados? até 127 Não Não Fornece Alimentação Sim: 500ma ao dispositivo? Sim: 50ma (se origem DCE) Não Comunicação Assíncrona de dados? Sim Sim, Baixa velocidade Sim, Baixa velocidade O USB utiliza um conector universal que permite ao usuário instalar e remover periféricos sem sequer abrir o computador. E ainda, com a característica de inserção e remoção automáticas, os periféricos podem ser instalados e removidos a qualquer momento, mesmo com o computador ligado e inicializado. Além da facilidade de utilização de periféricos convencionais, o USB abre caminho para novos aplicações, como a integração PC/telefonia e jogos multiusuários. Conector macho tipo A Dois importantes atributos do USB são também destacados: a compatibilidade universal, pois nada impede que o USB seja aproveitado por outra arquitetura, e a simplicidade no projeto de periféricos, pois são eliminados diversos custos, como o de interfaces auxiliares (ex: alguns scanners e CD ROM precisam de uma interface SCSI). 24

27 O USB pode ser usado com a maioria dos periféricos de PC s, tais como: controladoras de vídeo, drives de CD ROM, joysticks, unidades de fita, drives de disco-flexível externos, scanners ou impressoras. A taxa de transmissão especificada de 12 Mbps também acomoda uma nova geração de periféricos, incluindo os produtos baseados em vídeo (ex: câmeras digitais) Benefícios da Interface USB A USB é mais do que uma conexão Plug-and-Play. Esta nova tecnologia permite usar o PC em novos e interessantes caminhos. Seguem-se alguns exemplos de benefícios especiais que o USB pode proporcionar: Em Jogos Apesar de já existirem jogos onde é possível, via conexão de rede, que várias pessoas participem, o USB tem a interessante característica de permitir a entrada de novos jogadores sem que se interrompa a partida. Isto porque o USB permite conectar e desconectar joysticks e outros dispositivos de entrada sem que ocorra uma ação de parada. Lembrar que isto ocorre num único computador. Não há o ambiente de rede envolvido. Outro benefício associado a jogos é a possibilidade de sentir-se a massa de objetos virtuais e ter-se noção de aceleração em veículos. No fundo, é também um grande passo para simulações realísticas em robótica, devido à grande capacidade de fluxo de dados nos dois sentidos do cabo USB, que mantém um computador apto a receber as últimas novidades tecnológicas em termos de periféricos. Conexões na Internet O USB fornece a alternativa de utilizarem-se modem's externos de grande velocidade ou mesmo terminais de rede. Com isto, o acesso a Internet pode ser realizado sem a utilização de placas de rede. Fica também bastante flexível a topologia de um projeto de rede local, pois a substituição de nós (troca de computadores conectados) pode ser realizada com a simples troca do cabo, sem que se precise reinicializar qualquer computador. Compartilhamento Um dos mais importantes benefícios trazidos pelo USB é que ele permite o compartilhamento de periféricos entre PC s, como dispositivos de segurança, telefones, monitores e outros. 25

28 Telefonia e Via PC A conexão via USB é imediata e flexível entre telefones e PC s, especialmente com as novas aplicações que transformaram um simples computador numa sofisticada central de chamadas. Selecionar chamadas, adaptar as mensagens a serem enviadas, salvar e recuperar mensagens em voz ou fax e muitas outras ações podem ser controladas diretamente do PC através de aplicativos. A tecnologia USB reúne qualidades que tornam o PC mais flexível e capaz de explorar ainda mais suas potencialidades em termos de aplicação prática. O que antes limitava o PC a uns poucos periféricos, hoje o lança num ambiente de grande multiplicidade sem grandes complicações tecnológicas, facilitando a vida dos usuários USB - Estrutura Elétrica O barramento físico é composto de um cabo com quatro fios: VBus, D+, D- e GND. O fio VBus é o meio de fornecimento de alimentação para os dispositivos que necessitarem dela. Em um sistema USB, existem hubs e funções que possuem alimentação própria e hubs e funções que são alimentados pelo barramento através de VBus. VBus é nominalmente +5 V. Para aplicações de alta velocidade, os fios D+ e D- são entrelaçados. Os dados são transmitidos através de D+ e D- por meio de diferenças de tensão entre eles. O USB usa uma codificação NRZI. Utiliza dois tipos de conectores de 4 pinos, o tipo A (pinos em série) e o tipo B (2x2) Interface Ethernet Outra interface muito usual para equipamentos de redes é a ethernet. Seu padrão será visto com mais detalhes no capítulo 6 já que o mesmo é um conjunto de regras para o padrão físico e lógico deste tipo de conexão. Na realidade, assim como a USB, a ethernet não é um padrão para equipar circuitos de comunicação de dados. Ela está direcionada para o estabelecimento de conexões físicas e lógicas dentro de uma rede local de computadores (LAN). No entanto, ela tem sido a opção principal em equipamentos híbridos como Modem-Bridge ou Modem-Router que integram serviços de acesso e conectividade de muitas operadoras de telecomunicações. Uma bridge ou Router integrados ao DCE minimizam custos de infra-estrutura e sua instalação, permitindo aumentar o leque de opções para estes serviços. 26

29 EXERCÍCIOS 1. Comente as características básicas de uma interface. 2. Na sua opinião, por que é importante definir uma interface? 3. Quais as vantagens da transmissão de sinais do tipo diferenciais em interfaces? 4. O que é uma interface diferencial balanceada? Pode haver interface diferencial não balanceada? Justifique! 5. Interprete o significado do modelo elétrico abaixo: D R I V E R V 0 R 0 C 0 V L C L R L E L T E R M I N A D O R 6. Por que é necessário utilizar CI s drivers de comunicação em uma interface? 7. Explique o funcionamento básico dos sinais DTR-DSR, RTS-CTS, TD, RD e DCD na RS Quais são os principais sinais de handshaking físicos em uma interface do tipo: a) V.35; b) RS232; c) V.36; d) G703; e) USB. 9. Um conector DB25 pode ser usado para conduzir sinais elétricos de uma interface V.35? 10. O que significa dizer origem DTE para um determinado pino de um conector de interface? 11. O que é e para que serve um cabo cross-over? 12. O que difere entre as interfaces RS232 e V.35? 27

30 13. Indique o sentido do fluxo do sinal nas linhas abaixo como mostrado no sinal TD, e complete com o nome do sinal correspondente. SENTIDO CIRCUITO SINAL DTE DCE TD Cite cinco vantagens da interface USB em relação as interfaces seriais RS232 ou V35 e justifique o motivo pelo qual a USB assim como a Ethernet não são interfaces típicas interface para comunicação de dados a longa distância. 16. Represente, através de um esquema, a interligação mínima e a especificação completa para o cabo lógico que interliga as ID s na seguinte aplicação: Comunicação RS232 síncrona entre dois DTE s com conectores DB25 macho em suas ID s e distantes de 2 metros. Para a aplicação, o sincronismo de transmissão e recepção deve ser gerado internamente em um dos DTE s e não há necessidade de uso dos sinais de controle. 17. Idem ao 16, porém interligando dois DTE s síncronos com interface V.35 e conector M34 fêmea. 18. Idem ao 16, porém interligando dois DTE s assíncronos com sinais de controle e com RS232 macho. 19. Idem ao 16, porém interligando dois DCE s síncronos com sinais de controle e RS232 fêmea. O sincronismo de transmissão deve ser gerado internamente em um dos DCE s. 20. Idem ao 16, porém interligando um DTE e um DCE assíncrono com sinais de controle e com RS232 utilizando conector DB9 macho. 21. Faça um esquema de ligação de um cabo interligando duas interfaces G.703 codirecional de dois DTE s. 28