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Introdução

Ao longo do tempo os equipamentos têm agregado mais e mais funções, a utilização de circuitos integrados é cada vez mais comum e intensa. A implantação de barramentos de comunicação paralelos está cada vez mais inviável pela complexidade e quantidade das conexões, de forma que a comunicação serial entre os dispositivos se torna uma necessidade bastante presente.

O estabelecimento de linhas de transmissão de dados mais simples em si justifica amplamente a seleção da modalidade serial se comparados os problemas inerentes de linhas de transmissão paralelas, com os inevitáveis problemas de intermodulação entre as muitas linhas de sinal.

As técnicas disponíveis de interligação serial entre dispositivos podem ser classificadas em duas grandes categorias, a comunicação assíncrona e a comunicação síncrona. Nestas três métodos tem ocupado posições de destaque:

  • Universal Asynchronous Receiver Transmitter – UART;
  • Serial Peripheral Interface – SPI; e
  • Inter Integrated Circuit – I2C

Há grande familiaridade com o comunicação serial assíncrona por meio do padrão UART (RS-232C). Mas há grandes vantagens na utilização de comunicação serial síncrona ao invés da assíncrona. Além disso, há grandes diferenças entre protocolos síncronos. Apesar de cada protocolo definir limites máximos de taxas de transferência, os diversos fabricantes têm liberdade em desenvolver dispositivos com velocidades próprias. Abaixo uma tabela consolida um comparativo simples entre padrões de dispositivos seriais.

Tabela 1: Comparativo de padrões seriais

Tecnologia Barramento de comunicação Taxa de transferência máxima Fluxo de dados
UART (RS-232) 2 115k2bps Half ou Full Duplex
SPI 3+n escravos 2Mpbs Full Duplex
I2C 2 a 127 dispositivos 400kpbs Half Duplex

 

Há diversos exemplos no mercado mostrando que estes limites podem ser ultrapassados, por exemplo, memórias SPI que podem chegar a 66Mbps e I2C até 1Mbps.

A comunicação síncrona define o conceito de Master/Slave (Mestre - Escravo). Normalmente, o gerador do sinal de sincronismo é o Mestre da comunicação. Os dispositivos que utilizam o sinal de sincronismo são definidos como Escravos. A conexão mais comum desse tipo de comunicação é um Mestre e vários Escravos.

Agrupamento Mestre / Escravos
Figura 1: Mestre e Escravos

Comunicação SPI

A comunicação SPI tem algumas características basilares. Primeiro os sinais de comunicação têm sentido fixo e definido. Isso implica em sempre haver dois transistores definindo o estado de um pino (estágio de saída Push-Pull). Essa característica é um grande diferencial com outros padrões de comunicação serial como I2C e OneWire, que têm o mesmo barramento de dados para os sinais de entrada saída através do esquema de open-drain (Pull-Up).

Estágios de saída e máscara de sinal
Figura 2: Estágios de saída e forma de onda

Apesar de utilizar duas vias de comunicação ao invés de uma, é possível atingir velocidades maiores, pois há menor deformação do sinal como mostrado na Figura 2 acima.

Outra característica é que toda troca de dados ocorre sempre em ambas as direções. Ou seja, a cada bit enviado do Mestre para o Escravo corresponde um bit no caminho oposto, caracterizando uma comunicação sempre Full Duplex.

Os pinos básicos de comunicação entre dispositivos SPI e o esquema padrão de conexão para escravos independentes são como abaixo:

Tabela 2: Configuração de pinos da conexão SPI

Pino Nome Significado Nomes Alternativos
Mestre para Escravo MOSI Master Output Slave Input SDO, DOut, SO
Escravo para Mestre MISO Master Input Slave Output SDI, DIn, SI
Clock SCLK Serial Clock SCK, CLK
Seleção de Escravo SS Slave Select CS, nSS, nCS

 

Conexão de escravos independentes
Figura 3: Diagrama de conexão Mestre - Escravos (escravos independentes)

O sinal SS funciona selecionando escravos (um por vez). É um sinal ativo em nível lógico baixo, o que implica em lógica de seleção negativa no escravo. Porém muitos dispositivos utilizam este sinal como sincronismo de quadro (frame). Isto denota a importância de respeitar este sinal.

Alternativamente, é possível vincular os escravos efetuam uma conexão Daisy chain, ou encadeada, onde todos os escravos são simultaneamente selecionados e a saída de um escravo é conectada a entrada do próximo. A porta SPI de cada escravo é projetada para enviar durante o segundo grupo de pulsos de clock uma cópia exata de os dados que recebeu durante o primeiro grupo de pulsos de clock. A cadeia com um todo funciona tal qual um único shift-register. O encadeamento em margarida, geralmente, é feito para fornecer um bando de entradas ou saídas por meio de SPI. Cada escravo copia a entrada para a saída no próximo ciclo de clock até que a linha SS ativa baixa seja feita alta. Desta forma apenas uma única linha SS é requerida do mestre, ao invés de uma linha SS exclusiva para cada escravo.

Conexão de escravos encadeados
Figura: 4: Diagrama de conexão Mestre - Escravos (escravos encadeados)

Princípio de funcionamento

O princípio básico de um dispositivo SPI é o registrador de deslocamento (shift-register). Esse dispositivo faz a serialização de um dado paralelo de acordo com o clock. Da forma análoga é capaz de efetuar o oposto, recebendo uma cadeia seriada de bits e convertendo-a em um dado paralelo.

Fluxos internos e externos de um shift-register
Figura 5: Operação do shift-register

A interface não é apenas capacitada a fazer a conversão serial/paralelo, também conta com o gerador de clock (no elemento mestre) entre 10KHz e 100MHz, o controle para troca do frame e o slave-select. Constituindo assim um dispositivo de comunicação completo. Na Figura 6 abaixo podemos observar como é disposto

Disposição da SPI
Legenda 6: Arquitetura SPI

Sincronismo do Sinal de Relógio

Com a sincronização em mente, a função d Mestre não termina simplesmente com a geração de pulsos de clock em certa frequência. Na verdade, Mestre e Escravo devem operar num protocolo de sincronização em particular, ou os dados serão perdidos. A comunicação SPI é flexível permitindo a configuração de polaridade e de fase do clock. Aqui entram os conceitos de polaridade (CPOL) e de fase CPHA do clock.

CPOL – Polaridade do clock (Clock POLarity) determina o valor base do clock, isto é, o seu valor quando o barramento está ocioso.

  • Com CPOL = 0, o valor base do relógio é zero, ou seja, SCLK é “baixo” quando a comunicação está ociosa;
  • Com CPOL = 1, o valor base do relógio é um, ou seja, SCLK é “alto” quando a comunicação está ociosa.

CPHA – Fase de clock (Clock PHAse) determina em qual transição do clock os dados serão amostrados (capturados).

  • Com CPHA = 0, os dados são amostrados na borda de subida do clock;
  • Com CPHA = 1, os dados são amostrados na borda de descida do clock.

Dessa forma os modos possíveis são quatro mostrados na Tabela 3 a seguir:

Tabela 3: Modos de operação do clock

Modo CPOL CPHA Borda de troca Transição Nível em IDLE
0 0 0 Subida Meio do bit 1
1 0 1 Descida Começo do bit 0
2 1 0 Descida Meio do bit 0
3 1 1 Subida Começo do bit 1

Outra característica fundamental na comunicação é a definição da posição do bit mais significativo (MSB). Através de DORD é possível definir que o bit mais significativo será o primeiro (DORD=0), ou o último (DORD=1) bit transacionado. É possível observar todas essas características através dos dois diagramas de tempo a seguir:

Diagrama de tempos da operação SPI com fase tipo 0
Figura 7: Formato de Transferência com CPHA em 0

Fonte: <http://maxembedded.com/2013/11/serial-peripheral-interface-spi-basics/>

Diagrama de tempos da operação SPI com fase tipo 1
Figura 8: Formato de Transferência com CPHA em 1

Fonte: <http://maxembedded.com/2013/11/serial-peripheral-interface-spi-basics/>

Prós e Contras

Vantagens

  • Comunicação full duplex na versão padrão do protocolo;
  • Os acionadores push-pull fornecem boa integridade de sinal e alta velocidade, em oposição ao dreno aberto;
  • Maior rendimento do que I2C ou SMBus. Não se limita a qualquer velocidade máxima de clock, permitindo potencialmente alta velocidade;
  • Flexibilidade total do protocolo para os bits transferidos;
    • Não se limita a palavras de 8 bits;
    • Escolha arbitrária de tamanho, conteúdo e finalidade da mensagem;
  • Interface de hardware extremamente simples;
    • Requisitos de energia típicos mais baixos do que no I2C ou SMBus devido a menor quantidade de circuitos (incluindo resistores pull up);
    • Sem arbitragem ou modos de falha associados - ao contrário do barramento CAN
    • Escravos usam o relógio do mestre e não precisam de osciladores de precisão
    • Escravos não precisam de um endereço único - ao contrário do I2C, GPIB ou SCSI;
    • Transceptores não são necessários - ao contrário do barramento CAN;
  • Usa apenas quatro pinos de circuitos integrados e conecta layouts com menos fios ou conectores. Muito menos que interfaces paralelas;
  • Apenas um sinal de barramento exclusivo por dispositivo (chip select) todos os outros são compartilhados;
  • Os sinais são unidirecionais, permitindo fácil isolamento galvânico;
  • Implementação simples de software.

Desvantagens

  • Requer mais pinos de circuitos integrados do que I2C, mesmo na variante de três fios;
  • Nenhum endereçamento in-band; sinais de seleção extras ao barramento são necessários para barramentos compartilhados;
  • Nenhum controle de fluxo por hardware pelo escravo (mas o mestre pode atrasar a próxima borda do relógio para diminuir a taxa de transferência);
  • Nenhum reconhecimento de escravo por hardware (o mestre pode estar transmitindo para lugar nenhum e não sabe);
  • Normalmente suporta apenas um dispositivo mestre (depende da implementação de hardware do dispositivo);
  • Nenhum protocolo de verificação de erros é definido;
  • Sem um padrão formal, validar a conformidade não é possível;
  • Lida somente com distâncias curtas em comparação com RS-232, RS-485 ou CAN-bus; (Sua distância pode ser estendida com o uso de transceptores como o RS-422.)
  • Opto-isoladores no caminho do sinal limitam a velocidade do clock para a transferência do MISO devido aos atrasos adicionados entre o clock e os dados;
  • Muitas variações existentes, dificultando a localização de ferramentas de desenvolvimento, como adaptadores de host que suportem essas variações;
  • O SPI não suporta hot swapping (adição dinâmica de nós);
  • As interrupções devem ser implementadas com sinais extras ao barramento ou falsificadas usando-se de pollings periódicos de maneira similar ao USB 1.1 e 2.0;
  • Algumas variantes, como o SPI duplo, quad SPI e os barramentos seriais de três fios, são half duplex.

Mais sobre e assuntos correlatos

  • Arquivos Comunicação SPI. Disponível em <https://www.embarcados.com.br/serie/comunicacao-spi/> acessado em 15/jul./2019
  • Comunicação SPI – Parte 1. Disponível em <https://www.embarcados.com.br/spi-parte-1/> acessado em 15/jul./2019
  • Comunicação SPI – Parte 2. Disponível em <https://www.embarcados.com.br/comunicacao-spi-parte-2/> acessado em 15/jul./2019
  • Serial Peripheral Interface – SPI Basics. Disponível em <http://maxembedded.com/2013/11/serial-peripheral-interface-spi-basics/> acessado em 15/jul./2019
  • Wikipédia. Serial Peripheral Interface. Disponível em <https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface> acessado em 15/jul./2019
  • Comunicação SPI – Parte 3 – Microcontrolador AT89S8253 + EEPROM 25LC256. Disponível em <https://www.embarcados.com.br/comunicacao-spi-parte-3-at89s8253/> acessado em 15/jul./2019
  • Mundo Projetado. Comunicação Serial Assíncrona. Disponível em <http://mundoprojetado.com.br/comunicacao-serial-assincrona/> acessado em 15/jul./2019
  • Mundo Projetado. SPI. Disponível em <http://mundoprojetado.com.br/spi/> acessado em 15/jul./2019
  • Mundo Projetado. I²C. Disponível em <http://mundoprojetado.com.br/i2c/> acessado em 15/jul./2019
  • Mundo Projetado. RS-485. Disponível em <http://mundoprojetado.com.br/rs-485/> acessado em 15/jul./2019
  • Mundo Projetado. Modbus RTU – O que é e como funciona. Disponível em <http://mundoprojetado.com.br/modbus-rtu-o-que-e-e-como-funciona/> acessado em 15/jul./2019
  • Mundo Projetado. Implementando Modbus RTU no Arduino. Disponível em <http://mundoprojetado.com.br/implementando-modbus-rtu-no-arduino/> acessado em 15/jul./2019
  • Hélio Sousa Mendonça. Disponível em <https://paginas.fe.up.pt/~hsm/docencia/comp/uart/> acessado em 15/jul./2019
  • Hélio Sousa Mendonça. SPI e I2C. Disponível em <https://paginas.fe.up.pt/~hsm/docencia/comp/spi-e-i2c/> acessado em 15/jul./2019
  • MC68HC11A8 Techinical Data – Serial Peripheral Interface. Disponível em <http://ee.hawaii.edu/~tep/EE491E/Notes/HC11A8/HC11A8_SPI.pdf> acessado em 15/jul./2019
  • Texas Instruments. KeyStone Architecture Serial Peripheral Interface. Disponível em <http://www.ti.com/lit/ug/sprugp2a/sprugp2a.pdf> acessado em 15/jul./2019

Referências

Embarcados. Arquivos Comunicação SPI. Disponível em <https://www.embarcados.com.br/serie/comunicacao-spi/> acessado em 15/jul./2019



Embarcados. Comunicação SPI – Parte 1. Disponível em <https://www.embarcados.com.br/spi-parte-1/> acessado em 15/jul./2019



Embarcados. Comunicação SPI – Parte 2. Disponível em <https://www.embarcados.com.br/comunicacao-spi-parte-2/> acessado em 15/jul./2019



maxEmbedded. Serial Peripheral Interface – SPI Basics. Disponível em <http://maxembedded.com/2013/11/serial-peripheral-interface-spi-basics/> acessado em 15/jul./2019



Wikipédia. Serial Peripheral Interface. Disponível em <https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface> acessado em 15/jul./2019

 

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Redes são um conjunto de máquinas eletrônicas com processadores capazes de trocar informações e partilhar recursos, interligados por um subsistema de comunicação.

Topologia ou Arquitetura de Redes

A topologia de rede é o canal no qual o meio de rede está conectado aos computadores e outros componentes de uma rede. Essencialmente, é a estrutura topológica da rede, e pode ser descrito física ou logicamente. Há várias formas nas quais se podem organizar a interligação entre cada um dos nós (computadores) da rede.

Existem duas categorias básicas de topologias de rede:

  • Topologia física
  • Topologia lógica

Topologia física

A topologia física é a verdadeira aparência da rede, enquanto que a topologia lógica descreve o fluxo dos dados através da rede. A topologia física representa como as redes estão conectadas (layout físico) e o meio de conexão dos dispositivos de redes (nós ou nodos). A forma com que os cabos são conectados, e que genericamente chamamos de topologia da rede (física), influencia em diversos pontos considerados críticos, como a flexibilidade, velocidade e segurança.

  • Ponto a ponto
  • Anel
  • Barramento
  • Estrela
  • Malha
  • Árvore
  • Híbrida
  • Daisy Chain
  • Linear
  • Anel

Atualmente as topologias físicas mais comuns em redes locais são Estrela e Ponto-a-Ponto.

Topologia Lógica

A topologia lógica refere-se à maneira como os sinais agem sobre os meios de rede, ou a maneira como os dados são transmitidos através da rede a partir de um dispositivo para o outro sem ter em conta a interligação física dos dispositivos.

Topologias lógicas são frequentemente associadas ao Media Access Control (ou em português Controle de Acesso ao Meio), métodos e protocolos.

Topologias lógicas podem ser reconfiguradas dinamicamente por tipos especiais de equipamentos como roteadores e switches.

Os tipos de topologia de rede lógica mais comuns são o Broadcast, em que o nó envia seus dados a todos os outros espalhados na rede (Ethernet) e a passagem Token, que controla o envio de dados pela rede (Token Ring).

Ethernet

Ethernet é uma arquitetura de interconexão para redes locais - Rede de Área Local (LAN) - baseada no envio de pacotes. Ela define cabeamento e sinais elétricos para a camada física, em formato de pacotes e protocolos para a subcamada de controle de acesso ao meio (Media Access Control - MAC) do modelo OSI. A Ethernet foi padronizada pelo IEEE como 802.3. A partir dos anos 90, ela vem sendo a tecnologia de LAN mais amplamente utilizada e tem tomado grande parte do espaço de outros padrões de rede como Token Ring, FDDI e ARCNET.

Protocolos TCP e IP

TCP/IP não é propriamente um protocolo, mas um conjunto deles ou uma pilha de protocolos como usualmente se chama. Observe que o próprio nome já se refere a dois protocolos diferentes: TCP (Transmission Control Protocol) e IP (Internet Protocol).

Protocolo TCP

O TCP (acrônimo que significa "Protocolo de Controle de Transmissão") é um dos protocolos sobre os quais assenta a Internet. Ele é complementado pelo Protocolo da Internet (IP), sendo normalmente chamado de TCP/IP. A versatilidade e robustez do TCP tornou-o adequado a redes globais, já que este verifica se os dados são enviados de forma correta, na sequência apropriada e sem erros, pela rede.

O TCP é um protocolo do nível da camada de transporte (camada 4) do Modelo OSI e é sobre o qual que se assentam a maioria das aplicações cibernéticas, como o SSH, FTP, HTTP — portanto, a World Wide Web. O Protocolo de Controle de Transmissão provê confiabilidade, entrega na sequência correta e verificação de erros dos pacotes de dados, entre os diferentes nós da rede, para a camada de aplicação.

Aplicações que não requerem um serviço de confiabilidade de entrega de pacotes podem se utilizar de protocolos mais simples como o User Datagram Protocol (UDP), que provê um serviço que enfatiza a redução de latência da conexão.

Protocolo IP

Protocolo de Internet (em inglês: Internet Protocol, com o acrônimo IP) é usado como o protocolo de comunicação entre todas as máquinas em rede para encaminhamento dos dados. Tanto no Modelo TCP/IP, quanto no Modelo OSI, o importante IP (Protocolo de Internet) situa-se no nível da camada intitulada camada de rede (camada 3).

O IP é o elemento comum encontrado na Internet pública dos dias de hoje. É descrito no RFC 791 da IETF, que foi pela primeira vez publicado em setembro de 1981. Este documento descreve o protocolo da camada de rede mais popular e em uso. Esta versão do protocolo é designada de versão 4, ou IPv4. O IPv6 tem endereçamento de origem e destino de 128 bits, oferecendo mais endereçamentos que os 32 bits do IPv4.

Endereços no IPv4

Endereços IP servem para individualizar equipamentos e permitir que uns localizem os outros na rede.

IPv6 é uma atualização do IPv4 e a diferença entre eles é a quantidade de bits usado no endereçamento, portanto, na capacidade de número de endereços.

O IPv4, desde 1981, é um número de 32bits, formatado em 4 grupos de oito bits cada, chamados de octetos. É escrito em notação decimal pontuada. A capacidade de endereçamento do IPv4 é de no máximo 4.294.967.296 endereços, no entanto há exclusões.

Cada interface pode ter um endereço IP único.

O Internet Protocol faz parte da parte lógica da rede e contém a classe da rede, que pode ser classes: A; B; C; D; ou E.

Classe A B C D E
  Unicast Unicast Unicast Multicast Experimental
Hosts 16.777.216 65.536 256
Redes 256 65.536 16.777.216
IP inicial 0.0.0.0 128.0.0.0 192.0.0.0 224.0.0.0 240.0.0.0
IP Final 127.255.255.255 191.255.255.255 223.255.255.255 239.255.255.255 247.255.255.255

Obs.: A máscara de subrede pode alterar a classe da rede

IP públicos e privados

Endereços IP privados são empregados em redes locais domésticas e empresariais, endereços IP públicos são empregados para acesso à Internet.

Faixas de endereços para redes privadas:

Classe A B C
IP inicial 10.0.0.0 172.16.0.0 192.168.0.0
IP final 10.255.255.255 172.31.255.255 192.168.255.255
Hosts 16.777.216 65.536 65.536

Obs.: A classe B conta com mais uma faixa de endereços privada que é 169.254.x.x (Windows)

Endereços públicos devem ser únicos, portanto, não pode haver mais de um de cada deles, em âmbito mundial.

A distribuição de endereços públicos é regrada e controlada por um organismo não governamental internacional denominado IANA[1]Internet Assigned Numbers Authority (Autoridade de Números Atribuídos na Internet), que entrega as faixas de endereços IP aos RIR – Regional Internet Registry, ou em português Registros Regionais de Internet, que por sua vez distribuem aos ISPs – Internet Service Providers (Provedores de Serviço de Internet).

No Brasil o NIC.br (Núcleo de Informação e Coordenação do Ponto BR) administra a faixa de endereços IP recebida da LACNIC – Latin America and Caribbean Net Information Centre, o RIR da região.

Endereços IPv6

O IPv6 é a evolução do IPv4, no entanto algumas diferenças são observadas.

Os endereços IPv6 são formados por 8 hexadecatetos cada um deles com 16 bits, num total de 2**128 possibilidades de endereços (ou 3,4028237E38), escrito em notação hexadecimal de quatro dígitos por grupo, com os grupos sendo separados por dois pontos (:).

Deixa de existir a máscara de subrede e os quatro primeiros hexadecatetos representam a rede, com os outros quatro representando o host (2**64 = 18.446.744.073.709.551.616 possibilidades tanto para rede, quanto para host), além do que só existem endereços públicos.

Um endereço típico poderia ser então, por exemplo: 0A50:CAFE:0000:0000:0000:0032:0ECD:0001, onde a rede é 0A50:CAFE:0000:0000 e o host é 0000:0032:0ECD:0001.

Em verdade, um número complicado de ser ‘usado’, então por simplicidade existe a notação alternativa para tornar mais fácil o uso do número IPv6, no exemplo seria A50:CAFE::32:ECD:1, bem mais simples.

Como transformar um número, ou endereço, IPv6 de notação completa em notação simplificada? Primeiro eliminar zeros a esquerda, ou seja, 0A50 passa a A50. A seguir sequências de hexadecatetos totalmente zero podem ser simplificadas para duplo dois pontos assim: 0000:0000:0000 resultando em ::, no entanto isso só pode ser feito uma única vez em um mesmo endereço IPv6, conforme nos exemplos a seguir.

0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001 = ::1
0A50:0000:0000:0000:0032:0000:0000:0045 = A50::32:0:0:45 ou A50:0:0:0:32::45 (nunca A50::32::45)

REFERÊNCIAS

FOROUZAN, Behrouz A.; e MOSHARRAF, Firouz. Redes de computadores: Uma abordagem top-down. Porto Alegre: bookman, 2013Wikipédia. Modelo OSI.

Wikipédia. Modelo OSI. Disponível em <https://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_OSI>, acesso em 28/ago./2018

-- Protocolo de Internet. Disponível em <https://pt.wikipedia.org/wiki/Protocolo_de_Internet>, acesso em 28/ago./2018

-- Transmission Control Protocol. Disponível em <https://pt.wikipedia.org/wiki/Transmission_Control_Protocol>, acesso em 28/ago./2018


[1] IANA – Internet Assigned Numbers Authority, é hierarquicamente superior a: ARIN – American Registry for Internet Numbers; LACNIC – Latin American and Caribbean Network Information Centre; RIPE - Reseaux IP Europeens Network Coordination Centre; AFRINIC – African Network Information Centre; APNIC - Asia-Pacific Network Information Centre.