Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛЕКЦІЯ №12. ПРОГРАМОВАНИЙ ПОСЛІДОВНИЙ ІНТЕРФЕЙС.
Последовательные интер фейсы привлекательны благодаря малому числу сигнальных линий, что упро щает кабельные соединения. Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют освободить устройства от связывающих их интерфейсных кабелей, что особен но привлекательно для малогабаритной периферии, по размеру и весу соизме римой с кабелями. В беспроводных интерфейсах используются электромагнит ные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Bluetooth) диапазонов.
Интерфейс RS-232C — СОМ-порт
В последовательном интерфейсе для передачи данных в одном направлении ис пользуется одна сигнальная линия, по которой информационные биты переда ются друг за другом — последовательно. Английские названия последователь ных интерфейса и порта — Serial Interface и Serial Port, иногда их неправильно переводят как «серийные». Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и добиться улучшения связи на больших рас стояниях.
Начиная с первых моделей в PC имелся последовательный интерфейс — СОМ- порт (Communications port — коммуникационный порт). Этот порт обеспечи вает асинхронный обмен по стандарту RS-232C. Синхронный обмен в PC поддер живают лишь специальные адаптеры, например SDLC или V.35.
СОМ-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчи ков (UART), совместимых с семейством І8250/16450/16550. Они занимают в пространстве ввода-вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут распо лагаться по стандартным базовым адресам 3F8h (СОМІ), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4). Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ4 (обычно используются для СОМ1 и COM3) и IRQ3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандарту RS-232C. СОМ-порты имеют внешние разъемы-вилки (male — «папа») DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера. Характерной особенностью интерфейса является применение не ТТЛ-сигналов — все внеш ние сигналы порта двуполярные. Гальваническая развязка отсутствует — схем ная «земля» подключаемого устройства соединяется со схемной «землей» ком пьютера. Скорость передачи данных может достигать 115 200 бит/с.
Компьютер может иметь до четырех последовательных портов СОМ1—COM4 (для машин класса AT типично наличие двух портов) с поддержкой на уровне BIOS. Сервис Int 14h BIOS обеспечивает инициализацию порта, ввод и вывод символа (без прерываний) и опрос состояния. Через Int 14h скорость передачи программируется в диапазоне 110-9600 бит/с (меньше, чем реальные возмож ности порта). Для повышения производительности широко используется взаи модействие программ с портом на уровне регистров, для чего требуется совмес тимость аппаратных средств СОМ-порта с программной моделью І8250/16450/ 16550.
Название порта указывает на его основное назначение — подключение комму никационного оборудования (например, модема) для связи с другими компью терами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подключаться и периферийные устройства с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и другие. СОМ-порт широко используется для подключения мыши, а также организации непосредственной связи двух компью теров. К СОМ-порту подключают и электронные ключи.
Практически все современные системные платы (еще начиная с РСІ-плат для процессоров класса 486) имеют встроенные адаптеры двух СОМ-портов. Один из портов может использоваться и для беспроводной инфракрасной связи с пе риферийными устройствами (IrDA). Существуют карты ISA с парой СОМ- портов, где они чаще всего соседствуют с LPT-портом, а также с контроллерами дисковых интерфейсов (FDC и IDE). «Классический» СОМ-порт позволял осуществлять обмен данными только программным способом, при этом для пе ресылки каждого байта процессору приходилось выполнять несколько инст рукций. Современные порты имеют FIFO-буферы данных и позволяют выпол нять обмен по каналу DMA, существенно разгружая центральный процессор, что особенно важно на больших скоростях обмена.
В спецификации РС'99 применять традиционные СОМ-порты не рекомендует ся, но пока не запрещается. Если они есть, то должны быть совместимыми с UART 16550А и обеспечивать скорость до 115,2 Кбит/с. Устройства, которые традиционно задействуют СОМ-порт, рекомендуется переводить на последовательные шины USB и FireWire. Однако и поныне СОМ-порты продолжают ши роко использоваться. На современных системных платах присутствуют два СОМ-порта: СОМ1 выводится на внешний разъем, а COM2 используется для инфракрасной связи.
Протокол RS-232C
Стандарт RS-232C описывает несимметричные передатчики и приемники: сиг нал передается относительно общего провода — схемной «земли» (симметрич ные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах — напри мер, RS-422). Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице (состояние MARK) на входе данных (сигнал RxD) соответ ствует диапазон напряжения от -12 до -3 В; логическому нулю — от +3 до + 12 В (состояние SPACE). Для входов управляющих сигналов состоянию ON («включено») соответствует диапазон от +3 до +12 В, состоянию OFF («выклю чено») — от -12 до -3 В. Диапазон от -3 до +3 В — зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии считается изменен ным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчи ков должны быть в диапазонах от -12 до -5 В и от +5 до +12 В. Разность потен циалов между схемными «землями» (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное вос приятие сигналов. Заметим, что сигналы ТТЛ-уровней (на входах и выходах микросхем UART) передаются в прямом коде для линий TxD и RxD и в ин версном — для всех остальных.
Интерфейс предполагает наличие защитного заземления соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.
внимание
Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным пита нием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность невыров ненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложен ной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.
В табл. 1 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных, АПД). У модемов название цепей и кон тактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противопо ложные.
Таблица 1. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C
|
Обозначение цепи |
Контакт разъема |
№ провода кабеля |
Напра |
||||||
|
выносного разъема PC |
вление |
||||||||
|
СОМ-порт |
RS-232 |
V.24 Стык 2 |
DB-25P |
DB-9P |
11 |
22 |
З3 |
44 |
I/O |
|
PG |
АА |
101 |
1 |
5 |
(10) |
(10) |
(10) |
1 |
- -------- |
|
SG |
АВ |
102 |
7 |
5 |
5 |
9 |
1 |
13 |
- - |
|
Обозначение цепи |
Контакт разъема |
№ провода кабеля |
Напра |
||||||
|
выносного разъема PC |
вление |
||||||||
|
СОМ-порт |
RS-232 |
V.24 Стык 2 |
DB-25P |
DB-9P |
11 |
22 |
З3 |
44 |
I/O |
|
TD |
ВА |
103 |
2 |
3 |
3 |
5 |
3 |
3 |
О |
|
RD |
ВВ |
104 |
3 |
2 |
2 |
3 |
4 |
5 |
I |
|
RTS |
СА |
105 |
4 |
7 |
7 |
4 |
8 |
7 |
О |
|
CTS |
СВ |
106 |
5 |
8 |
8 |
6 |
7 |
9 |
I |
|
DSR |
СС |
107 |
6 |
6 |
6 |
2 |
9 |
11 |
I |
|
DTR |
CD |
108/2 |
20 |
4 |
4 |
7 |
2 |
14 |
О |
|
DCD |
CF |
109 |
8 |
1 |
1 |
1 |
5 |
15 |
I |
|
RI |
СЕ |
125 |
22 |
9 |
9 |
8 |
6 |
18 |
I |
Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рас смотрим с точки зрения СОМ-порта PC. Для удобства будем пользоваться мне моникой названий, принятой в описаниях СОМ-портов и большинства уст ройств (она отличается от безликих обозначений RS-232 и V.24).
Назначение сигналов интерфейса RS-232C
PG Protected Ground — защитная «земля», соединяется с корпусом устройства
и экраном кабеля
SG SG Signal Ground - сигнальная (схемная) «земля», относительно которой действуют
уровни сигналов
TD Transmit Data — последовательные данные — выход передатчика
RD Receive Data — последовательные данные — вход приемника
RTS Request То Send - выход запроса передачи данных: состояние «включено»
уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением — состояние «включено» служит сигналом модему на переключение в режим передачи
CTS Clear То Send — вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние
«выключено» запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных
DSR Data Set Ready - вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала)
DTR Data Terminal Ready - выход сигнала готовности терминала к обмену данными. Состояние «включено» поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения
DCD Data Carrier Detected - вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
Rl Ring Indicator — вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова
Нормальная последовательность управляющих сигналов для случая подключе ния модема к СОМ-порту приведена на рис.1. Напомним, что положитель ному уровню соответствует логическое состояние «включено», а отрицательно му — «выключено».
Рисунок 1 – Последовательность управляющих сигналов интерфейса RS-232.
1. Рассмотрим эту последовательность управляющих сигналов:
2. Установкой сигнала DTR компьютер указывает на желание использовать мо дем.
3. Установкой сигнала DSR модем сигнализирует о своей готовности к установ лению соединения.
4. Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.
5. Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от ком пьютера и передаче их в линию.
6. Снятием сигнала CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (например, буфер заполнен) — компьютер должен приостановить передачу данных.
осстановлением сигнала CTS модем разрешает компьютеру продолжить пе редачу (в буфере появилось место).
7. Снятие сигнала RTS может означать как заполнение буфера компьютера (мо дем должен приостановить передачу данных в компьютер), так и отсутствие данных для передачи в модем. Обычно в этом случае модем прекращает пе ресылку данных в компьютер.
8. Модем подтверждает снятие сигнала RTS сбросом сигнала CTS.
9. Компьютер повторно устанавливает сигнала RTS для возобновления пере дачи.
10. Модем подтверждает готовность к этим действиям.
11. Компьютер указывает на завершение обмена.
12. Модем отвечает подтверждением.
13.Компьютер снимает сигнал DTR, что обычно означает необходимость разры ва соединения («повесить трубку»).
14. Модем сбросом сигнала DSR сообщает о разрыве соединения.
Из этой последовательности становятся понятными соединения DTR-DSR и RTS- CTS в нуль-модемных кабелях.
При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнали зирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит четности (parity). Завершает посылку стоп-бит, гаранти рующий паузу между посылками (рис.2). Старт-бит следующего байта по сылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго опреде ленное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхрониза ции приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена.
Рисунок 2- формат асинхронной передачи.
Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки переда чи: ложный старт-бит, потерянный стоп-бит, ошибку паритета. Контроль фор мата позволяет обнаруживать обрыв линии: при этом принимаются логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит, и нулевые биты данных потом срабатывает контроль стоп-бита.
Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с. Иногда вместо единицы измерения «бит/с» используют «бод» (baud), но при рассмотрении двоичных передаваемых сигналов это некорректно. В бодах при нято измерять частоту изменения состояния линии, а при недвоичном способе кодирования (широко применяемом в современных модемах) в канале связи скорости передачи бит (измеряемая в битах в секунду) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз .
Количество битов данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форма ты распространены незначительно). Количество стоп-битов может быть 1, 1,5 или 2 («полтора бита» означает только длительность стопового интервала).
Асинхронный режим является байт-ориентированным (символьно-ориентиро- ванным): минимальная пересылаемая единица информации — байт (символ). В отличие от него синхронный режим (не поддерживаемый СОМ-портами) яв ляется бит-ориентированным — кадр, пересылаемый по нему, может иметь про извольное количество битов.
Управление потоком данных
Для управления потоком данных (flow control) могут использоваться два вари анта протокола — аппаратный RTS/CTS и программный XON/XOFF. Иногда управление потоком путают с квитированием. Квитирование (handshaking) подразумевает посылку уведомления о получении элемента, в то время как управление потоком предполагает посылку уведомления о возможности или не возможности последующего приема данных. Квитирование характерно для па раллельных интерфейсов (см. главу 15), его применение может избавить от не обходимости управления потоком.
Так называемый аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (hard ware flow control) использует сигнал CTS, который позволяет остановить переда чу данных, если приемник не готов к их приему (рис.3). Передатчик «вы пускает» очередной байт только при включенной линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует цело стность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реак цию передатчика на состояние приемника. Микросхемы асинхронных приемо передатчиков имеют не менее двух регистров в приемной части — сдвигающий, для приема очередной посылки, и хранящий, из которого считывается приня тый байт. Это позволяет реализовать обмен по аппаратному протоколу без по тери данных.
Рисунок 3 – аппаратное управление потоком.
Аппаратный протокол удобен при подключении принтеров и плоттеров, если они его поддерживают. При непосредственном (без модемов) соединении двух компьютеров аппаратный протокол требует перекрестного соединения линий RTS-CTS, что обеспечит состояние «включено» на линии CTS. В противном слу чае передатчик будет «молчать».
Применяемые в IBM PC приемопередатчики 8250/16450/16550 сигнал CTS ап- паратно не отрабатывают, а только показывают его состояние в регистре MSR. Реализация протокола RTS/CTS возлагается на драйвер (например, Int 14h BIOS), и называть его «аппаратным» не совсем корректно. Если же программа, пользующаяся СОМ-портом, взаимодействует с UART на уровне регистров (а не через BIOS), то обработкой сигнала CTS для поддержки данного протокола она занимается сама. Ряд коммуникационных программ позволяет игнориро вать сигнал CTS (если не используется модем), и для них не требуется соедине ние входа CTS с выходом своего сигнала RTS. Однако существуют и иные прие мопередатчики (например, 8251), в которых сигнал CTS отрабатывается аппа ратно. Для них, а также для «честных» программ использование сигнала CTS на разъемах (а то и на кабелях) обязательно. Преимущество протокола RTS/ CTS во времени реакции по сравнению с программным протоколом XON/ XOFF ос тается лишь для буферизованной (в режиме FIFO) передачи.
Программный протокол управления потоком XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает протокол следующим об разом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по ко торым оно не может их дальше принимать, оно по обратному последовательно му каналу посылает байт-символ XOFF (13h). Противоположное устройство, приняв этот символ, приостанавливает передачу. Когда принимающее устрой ство снова становится готовым к приему данных, оно посылает символ X0N (11h), приняв который, противоположное устройство возобновляет передачу. Время реакции передатчика на изменение состояния приемника по сравнению с аппаратным протоколом увеличивается по крайней мере на время передачи символа (X0N или XOFF) плюс время реакции программы передатчика на прием символа (рис. 16.4). Из этого следует, что данные без потерь могут принимать ся только приемником, имеющим дополнительный буфер принимаемых дан ных и заблаговременно сигнализирующим о неготовности (имея в буфере сво бодное место).
Рисунок 4 – Программное управление потоком XON/XOFF
Преимущество программного протокола заключается в отсутствии необходи мости передачи управляющих сигналов интерфейса — кабелю для двусторонне го обмена достаточно иметь всего 3 провода. Недостатком, помимо необходимо сти буфера и большего времени реакции (снижающего общую производитель ность канала из-за ожидания сигнала X0N), является сложность реализации пол нодуплексного режима обмена. В этом случае из потока принимаемых данных должны выделяться (и обрабатываться) символы управления потоком, что ог раничивает набор передаваемых символов или требует дополнительных ухищ рений в плане кодировки.
Помимо этих двух распространенных стандартных протоколов, поддерживае мых и ПУ и ОС, существуют и другие.