Порядок обмена по интерфейсу RS-232C

Назначение сигналов следующее.

FG - защитное заземление (экран).

- TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде.

- RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде.

RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.

CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.

DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.

SG - сигнальное заземление, нулевой провод.

DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).

DTR - готовность выходных данных.

RI - индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по телефонной сети.

 

При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться в обе стороны (дуплексный режим).

Рис. 14. Формат асинхронной передачи данных

 

Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена.

Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема начала старт-бита. Этот счетчик генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные и при незначительном рассогласовании скоростей приемника и передатчика.

При передаче 8 бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при котором данные будут распознаны верно, не может превышать 5%. С учетом фазовых искажений и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение частот.

. Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым сразу же следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных, при котором на стороне приемника из принятого сигнала могут быть выделены импульсы синхронизации. В любом случае синхронный режим требует дорогих линий связи или оконечного оборудования.

Соединение компьютеров между собой. Для реализации связи двух компьютеров между собой применяется специальный кабель с коммутацией соответствующих линий интерфейса RS-232, рис.15а, но при этом СОМ порты должны быть настроены на аппаратную синхронизацию обмена.

Компьютеры можно соединить между собой через СОМ порты и по упрощенной схеме. Так как компьютеры обладают большой скоростью обработки данных то синхронизировать их работу не нужно. Т.е. сервисные сигналы не влияют на процедуры обмена данными, рис.15б.

а) через нуль модемный кабель

б) простейшее

Данные передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий уровень, логическому нулю - высокий уровень). Обмен по RS-232C осуществляется с помощью обращений по специально выделенным для этого портам COM1.

Рис. 15. Соединение компьютеров

 

Рис. 16. Формирование логического сигнала

Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Диапазон -3...+3 В — зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

 

Параллельный интерфейс

Порт параллельного интерфейса был введен в ПК для подключения принтера- отсюда и пошло название этого устройства LРT-порт (Line PrinTer). Традиционный LPT-порт ориентирован на вывод данных хотя с некоторыми ограничениями позволяет и введение данных. Существуют разнообразные модификации LPT-порта - двунаправленный, ЕРР, ЕСР и другие, что позволяют расширить его функциональные возможности, повышают производительность и снижают нагрузку на процессор.

С внешней стороны порт имеет 8-ми разрядную шину данных, 5-ти разрядную шину сигналов состояния и 4-ох разрядную шину управляющих сигналов, которые выведены на разъем розетку DB-25S.

Рис. 17. Разъем для подключения устройства

С программной стороны LPT-порт является набором регистров. К LPT портам подключают принтеры, плоттеры, сканеры, коммуникационные устройства и устройства хранения данных, а также электронные ключи, программаторы и другие устройства. Иногда параллельный интерфейс используют для связи между двумя компьютерами - выходит сеть, «сделанная на колене» (LapLink). Стандартный параллельный порт называется SPP (Standard Parallel Port). SPP порт является однонаправленным, на его базе программно реализуется протокол обмена Centronics. Сигналы порта выводятся на стандартный разъем DB-25S (розетка). Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода.

 

- DR (Data Register) – регистр данных. Данные, записанные в этот порт, выводятся на выходные линии интерфейса

- SR (Status Register) – регистр состояния; представляет собой 5-битный порт ввода сигналов интерфейса, отображающих состояние принтера(Busy,Ack,Paper End, Select, Error)

- CR (Control Register) – регистр управления. Предназначен для программного управления принтером путем активизации линий Select, Init, AutoLF, Strobe#, задания режима прерывания и направления передачи данных

Контроллер параллельного интерфейса поддерживает 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. Обычно поддерживаются три 8-битных регистра в пространстве ввода-вывода и одна линия IRQ. Схемотехника порта LPT базируется на TTL-логике. Скорость обмена не выше 150 КБ/с при значительной загрузке процессора.

Процедура вывода байта по интерфейсу Centronics включает следующие:

- вывод байта в регистр данных

- ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 – сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута

- по получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается.

Главный недостаток вывода через стандартный порт – невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт может обеспечить скорость не более 100-150 КБ/с при полной загрузке процессора

 

Рис. 18. Логическая схема параллельного порта

Адаптер параллельного интерфейса – набор регистров, расположенных в адресном пространстве устройств ввода/вывода. Количество регистров зависит от типа порта, однако три из них стандартны и присутствуют всегда – регистр данных, регистр состояния и регистр управления, рис. 18. Стандартный параллельный порт предназначен только для односторонней передачи информации. Работа же с каналами связи предполагает реализацию как передачи, так и приема данных. Кроме того, так как интерфейс Centronics является программно-управляемым, скорость информационного обмена не может быть особенно велика и оказывается напрямую связанной с быстродействием компьютера. Имеется также ограничение на длину линии связи устройства, подключенного к интерфейсу Centronics. Оно должно располагаться на расстоянии не более 1.8 м от компьютера

 

Порядок обмена по интерфейсу Centronics. Сигналы Centronics имеют следующее назначение.

- D0..D7 – 8-разрядная шина данных для передачи из компьютера в принтер. Логика сигналов положительная

‑ STROBE – сигнал стробирования данных. Данные действительны как по переднему, так и по заднему фронту этого сигнала. Сигнал говорит приемнику (принтеру), что можно принимать данные

- ACK – сигнал подтверждения принятия данных и готовности приемника (принтера) принять следующие данные. То есть здесь реализуется асинхронный обмен

- BUSY – сигнал занятости принтера обработкой полученных данных и неготовности принять следующие данные. Активен также при переходе принтера в состояние off-line или при ошибке, а также при отсутствии бумаги. Компьютер начинает новый цикл передачи только после снятия -ACK и после снятия BUSY

- AUTOFEED – сигнал автоматического перевода строки. Получив его, принтер переводит каретку на следующую строку

- PE – сигнал конца бумаги. Получив его, компьютер переходит в режим ожидания. Если в принтер вставить лист бумаги, то сигнал снимается

- SELECT – сигнал готовности приемника. С его помощью принтер говорит о том, что он выбран и готов к работе. У многих принтеров имеет постоянно высокий уровень

- SELECTIN – сигнал принтеру о том, что он выбран и последует передача данных

- ERROR – сигнал ошибки принтера. Активен при внутренней ошибке, переходе принтера в состояние off-line или при отсутствии бумаги

- INIT – сигнал инициализации (сброса) принтера. Очистка буфера печати.

Перед началом цикла передачи данных компьютер должен убедиться, что сняты сигналы BUSY и ACK. После этого выставляются данные, формируется строб, и снимаются данные. Принтер должен успеть принять данные с выбранным темпом. При получении строба принтер формирует сигнал BUSY, а после окончания обработки данных выставляет сигнал nACK, снимает BUSY и снимает ACK. Затем может начинаться новый цикл.

Все сигналы интерфейса Centronics передаются в уровнях ТТЛ и рассчитаны на подключение одного стандартного входа ТТЛ

Порт ЕРР – улучшенный параллельный порт). Двунаправленный - то есть обеспечивает параллельную передачу 8 бит в обоих направлениях. Это избавляет центральный процессор от необходимости выполнения медленных инструкций типа IN и OUT, позволяя программе заниматься непосредственно пересылкой данных. Порт ЕРР передает и принимает данные почти в 6 раз быстрее обычного параллельного порта. Этому также способствует то, что порт ЕРР имеет буфер, сохраняющий передаваемые и принимаемые символы до того момента, когда модем или другое периферийное устройство будет готово их принять

Специальный режим позволяет порту ЕРР передавать блоки данных непосредственно из ОЗУ компьютера в периферийное устройство и обратно, минуя процессор. Такое преимущество, однако, реализуется за счет использования, такого ценного ресурса компьютера, как канал прямого доступа к памяти

Протокол ЕРР обеспечивает четыре типа циклов обмена: записи и чтения данных, записи и чтения адреса

Порт ЕРР полностью совместим с обычным портом. Для использования его специфических функций требуется специальное программное обеспечение. При использовании надлежащего программного обеспечения порт ЕРР может передавать и принимать данные со скоростью до 2 Мб/с.

Порты ввода-вывода

Организация работы. Порт можно определить как точку, через которую осуществляется взаимодействие с каким-либо блоком в системе ввода-вывода, многоразрядный вход или выход устройства. Порт ввода-вывода – это логическая адресуемая единица СВВ, которая характеризуется: адресом, форматом данных и набором операций, которые к этому порту можно применять. Взаимодействие может осуществляться как программным путем, так и аппаратным (порт – разъем устройства). В случае программного взаимодействия совокупность портов нумеруется и представляет собой адресное пространство (т.е. к каждому порту доступ осуществляется по его адресу). Различают порты ввода, вывода и двунаправленные (ввода-вывода). Управление блоками СВВ через порты осуществляется путем записи в них или чтения из них данных. При обращении к порту на линии системного интерфейса выставляется его адрес, который распознается специальным блоком – адресным декодером (или селектором адресов, что то же самое), – расположенным в устройстве, к которому приписан данный порт. Адресный декодер затем инициирует процесс обмена данными (запись или чтение, в зависимости от управляющих сигналов), Надо сказать, что кроме наличия «нужного» адреса на линиях системного интерфейса для начала процесса обмена с устройством необходимы еще определенные значения управляющих сигналов («чтение», «запись», «Chip-Select» и т.п.). Одному и тому же устройству может соответствовать несколько портов, идущих друг за другом (диапазон адресов) или иначе (вразброс по адресному пространству портов), через которые осуществляется доступ к разным механизмам устройства или к различным частям одного механизма (например, один порт представляет собой регистр адреса внутренней памяти устройства, а через другой пересылаются данные).

На рис. 19 ниже изображен пример взаимодействия с устройством через порты. Первый пример иллюстрирует механизм распознавания номеров (адресов) портов, к которым происходит обращение через системный интерфейс.

 

Рис. 19. Пример аппаратной реализации портов ввода-вывода

По алгоритму обмена различают порты: 1. С программно управляемым (программным) вводом-выводом: установка и считывание данных определяется только ходом вычислительного процесса. Нет защиты от повторного считывания- записи одного и того же значения на выводе и считывания-записи во время переходного процесса на выводе. 2. Со стробированием: каждая операция ввода-вывода подтверждается импульсом синхронизации (стробом) со стороны источника сигнала (при выводе – процессор, при вводе – внешнее устройство).

 

Считывание информации приемником происходит только по стробу, что позволяет защититься от приема данных во время переходного процесса входного сигнала.

3. С полным квитированием. Данный режим чаще всего используется для обмена данными с другой вычислительной системой по параллельной шине. Кроме сигналов синхронизации со стороны передатчика используются сигналы подтверждения (готовности к следующему обмену) со стороны приемника. Это позволяет управлять интенсивностью обмена обеим взаимодействующим сторонам и предотвращает потерю данных, когда одна из них перегружена. Пример порта с квитированием – порт LPT персонального компьютера.

Дискретные порты ввода-вывода. В большинстве современных процессоров для встраиваемых применений поддерживается как независимое управление каждой линией параллельного порта, так и групповое управление всеми разрядами. Так как схемотехника отдельных линий в рамках одного 4-, 8- или 16-разрядного порта одинакова, то дальше будут рассматриваться устройство и функционирование одиночного разряда.

2.2.1 Однонаправленные порты ввода- вывода. Схема однонаправленного порта ввода показана на рис. 20.

Рис. 20. Однонаправленный порт ввода

Внешние данные считываются через вывод порта (ножку микросхемы), проходят через триггер Шмитта (ТШ) или схему защиты от дребезга (СЗД) и по внутреннему сигналу чтения фиксируются в регистре данных, с выхода которого, в свою очередь, данные считываются процессором. ТШ (используется в большинстве процессоров для встроенного применения) имеет гистерезис по уровню входного напряжения и предотвращает многократное переключение входных схем при пологом фронте сигнала или помехах. СЗД вводит инерционность переключения и отсекает реакцию на короткие по длительности импульсы. Используется для защиты от помех. Ко входу также могут подключаться так называемые «резисторы поддержки» логической «1» (Pull-up) или логического «0» (Pull-down).

Эти резисторы предназначены для переведения входов в устойчивое состояние «0» или «1» и предотвращения произвольных переключений от помех в моменты, когда на них (входы) не подается внешний сигнал, например, неиспользуемых и не подключенных к внешним схемам входов («открытых входов»). Через специальные управляющие регистры «схемы поддержки» могут быть отключены полностью или включены в режим Pull-up или Pull-down.

Все перечисленные блоки: триггер Шмитта, СЗД и «схемы поддержки» – используются для защиты от случайных переключений в результате помех и помогают снизить энергопотребление, которое резко возрастает в момент переключений входных схем.

Порты вывода бывают:

• С двухтактной выходной схемой (комплементарные).

• С однотактной выходной схемой и внутренней нагрузкой.

• С открытым выходом (открытым коллектором или стоком).

Порты вывода с двухтактной выходной схемой. являются самыми распространенными и реализованы, например, в семействах Atmel AVR, Microchip PICmicro, AMD AM186, Motorola HC08, HC11 и многих других.

 

Рис. 21. Порт вывода с двухтактной схемой

Рассмотрим функционирование данной схемы. Выходные данные записываются в регистр-защелку данных по внутреннему сигналу записи #WR и через простейшую логическую схему управляют выходными транзисторами. Если в регистр записано значение «1», то открыт верхний по схеме транзистор, а нижний закрыт: на выводе порта Vcc (логическая «1»). Если в регистр записано значение «0», то открыт нижний по схеме транзистор, а верхний закрыт: вывод порта соединен с минусовой шиной питания, т.е. там установлен «0». На схеме верхний регистр управляет сигналом #OE

– «разрешение выходов». Если в регистр записан «0», то схема работает, как было описано выше. Если записана «1», то оба транзистора закрываются и схема переводится в «высокоомное» состояние (Z-состояние). В этом состоянии выходное сопротивление порта очень высокое и он фактически «оторван» от микропроцессора. Это необходимо:

• Если к выходному порту подключены выходы других схем и необходимо делить линии передачи данных с этими устройствами. Например: процессор используется как периферийный контроллер и его выходной порт подключен к периферийной шине другого процессора (мастера), к этой же шине подсоединены еще несколько периферийных контроллеров.

Достоинство: Максимальные значения втекающего (в состоянии «0») и вытекающего (в состоянии «1») тока выхода составляют 2-6мА для каскадов с нормальной нагрузочной способностью (например, Fujitsu MB90) и 5-30мА для каскадов с повышенной нагрузочной способностью (например, PICmicro, AVR).

Встречаются отдельные микросхемы со сверхвысокой нагрузочной способностью – до 60-90мА (например, PIC17). Большой выходной ток позволяет непосредственно с ножки, без схем усиления и согласования сигнала, управлять достаточно мощной нагрузкой: светодиодами, реле, мощным электронным ключом (транзистор, тиристор). Это значительно упрощает схему устройств.

Недостатки: При программировании необходимо управлять дополнительным битовым регистром «разрешение выхода». Значительное энергопотребление и уровень помех при переключении

Порты вывода с однотактной выходной схемой и внутренней нагрузкой применяются, например, в семействе MCS-51. Они имеют более простую внутреннюю схему. Когда в регистр-защелку записано значение «1», транзистор закрыт и на выходе через резистор RL устанавливается Vcc – логическая «1». Когда же в регистр-защелку записан «0», открывается транзистор и соединяет выход с минусовой шиной питания, т.е. там устанавливается «0». При этом резистор RL оказывается подключенным между шинами питания. Во избежание высокого тока через резистор и его перегрева сопротивление делают достаточно высоким 10-100кОм. Высокое сопротивление резистора позволяет непосредственно соединять несколько выходов, не опасаясь их встречного включения, так как если «0» на одном из выходов «подсадит» «1» на другом, то мощность, выделяемая на «подсаженном» резисторе будет мала, он не перегреется и каскад не выйдет из строя.

Рис.22. Порт вывода с однотактной схемой

Достоинства: • Необходимо управлять только одним регистром. • Простая схема. • Возможность без дополнительных схем организовать подключение на одну внешнюю шину несколько таких выходов. Легко построить квазидвунаправленный порт ввода-вывода (см. ниже). Недостаток: Малый вытекающий ток (в состоянии «1»), ограниченный резистором RL –сотни мкА.

 

Порты вывода с открытым выходом (открытым коллектором или стоком) Применяются во многих семействах микропроцессоров, например, AMD Am186 (там это один из режимов порта), PICmicro. Выходной каскад построен по однотактной схеме с внешней нагрузкой. Принцип функционирования аналогичен описанному для однотактного выходного каскада.

Рис. 23. Порт вывода с открытым выходом

Достоинства: • Внешнее напряжение питания нагрузки Vcc ext может быть иным – большим или меньшим, чем питание микропроцессора. Это может быть удобным для сопряжения схем с различными уровнями логической «1», например, 3,3В и 5В. Если внешнее напряжение достаточно высокое, то можно непосредственно управлять высоковольтной нагрузкой. Например, анонсирован микроконтроллер семейства PICmicro допускающий подключение внешнего напряжения Vcc ext до 15В при питании ядра 2-6В.

 

• Необходимо управлять только одним регистром.

• Простая схема.

• Возможность без дополнительных схем организовать подключение на одну внешнюю шину несколько таких выходов. При этом можно подбирать требуемое сопротивление RL, например, стандарт I2C требует чтобы сопротивление было 2.2кОм. Легко построить квазидвунаправленный порт ввода-вывода (см. ниже).

Недостатки:

• Требуется внешняя нагрузка.

• Малый вытекающий ток (в состоянии «1»), ограниченный внешним нагрузочным резистором.