Интерфейс RS-232С

2.1 Интерфейс RS-232С

Интерфейс RS-232С  предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД - оконечное оборудование данных, или AПД- аппаратура передачи данных; DTE - Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД DCE - Data Communication Equipment). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Полная схема соединения приведена на рис. 2.1; интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АКД, соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 2.2)

Стандарт описывает  управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический  интерфейс и типы разъемов. В стандарте  предусмотрены асинхронный и  синхронный режимы обмена, но СОМ-порты  поддерживают только асинхронный режим. Функционально RS-232С эквивалентен стандарту МККТТ V.24/V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия сигналов.

Стандарт RS-232C описывает  несимметричные передатчики и приемники - сигнал передается относительно общего провода - схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах - например, RS-422). Интерфейс не обеспечивавтп гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне от - 12 до - 3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включено»), для линий последовательных данных - МАRК. Логическому нулю соответствует диапазон от +3 до +12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется ОFF («выключено»), а для линий последовательных данных - SРАСЕ. Диапазон от -3 до +3 В - зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника; состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 2.3). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от - 12 до - 5 В и от +5 до +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.

Интерфейс предполагает наличие защитного заземления для соединяемых устройств если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

ВНИМАНИЕ: Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность невыровненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Стандарт RS-232С  регламентирует типы применяемых разъемов.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки, DB-25P или более компактный вариант - DB-9Р. Девятиштырьковые разъемы не имеют  контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного  режима (в большинстве 25-штырьковых разъемах эти контакты не используются), На аппаратуре AКД (модемах) устанавливают розетки DB-25Б или DB-9Б.

Это правило  предполагает, что разъемы АКД  могут подключаться к разъемам АПД  непосредственно или через переходные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены «один в один». Переходные кабели могут являться и переходниками с 9 на 25-штырьковые разъемы (рис. 2.4).

Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются  между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem, или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестив по одной из схем, приведенных на рис. 2.5.

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка - это почти 100% того, что к другому  устройству оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено.

В табл. 2.1 приведено  назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных АПД). Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-Е, разъем DB-9S описан стандартом EIA/TIA-574. У модемов (АКД) название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Подмножество  сигналов RS-232С, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта РС. Для удобства будем  пользоваться мнемоникой названий, принятой в описаниях СОМ-портов и большинства  устройств (она отличается от безликих обозначений RS-232 и V.24). Напомним, что активному состоянию сигнала («включено») и логической единице передаваемых данных соответствует отрицательный потенциал (ниже - 3 В) сигнала интерфейса, а состоянию «выключено» и логическому нулю - положительный (выше +3 В). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 2.2. Нормальную последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к СОМ-порту иллюстрирует рис. 2.6.

1. Установкой DTR компьютер указывает на желание  использовать модем.
2. Установкой DSR модем сигнализирует о своей готовности и установлении соединения.
3. Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.
4. Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от компьютера и передаче их в линию.
5. Снятием CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (например, буфер заполнен) - компьютер должен приостановить передачу данных.
6. Сигналом CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).
7. Снятие RTS может означать как заполнение буфера компьютера (модем должен приостановить передачу данных в компьютер), так и отсутствие данных для передачи в модем. Обычно в этом случае модем прекращает пересылку данных в компьютер.
8. Модем подтверждает снятие RTS сбросом CTS.
9. Компьютер повторно устанавливает RTS для возобновления передачи.
10. Модем подтверждает готовность к этим действиям.
11. Компьютер указывает на завершение обмена.
12. Модем отвечает подтверждением.
13. Компьютер снимает DTR, что обычно является сигналом на разрыв соединения («повесить трубку»).
14. Модем сбросом DSR сигнализирует о разрыве соединения.

Из рассмотрения этой последовательности становятся понятными соединение DTR -- DSR и RTS -- CTS в нуль-модемных кабелях.

2.2 Родственные интерфейсы  и преобразователи  уровней

В последовательном интерфейсе далеко не всегда используют двуполярные сигналы RS-232С - это неудобно, хотя бы из-за необходимости использования двуполярного питания приемопередатчиков. Сами микросхемы вышеописанных приемопередатчиков UART работают с сигналами логики ТТЛ или КМОП; такие же сигналы используются, например, и в сервисных портах винчестеров и других устройств. Многие устройства (в том числе карманные ПК и мобильные телефоны) имеют внешний последовательный интерфейс с уровнями низковольтной логики. Конечно, сигналы обычной логики не имеют столь высокой помехоустойчивости, как RS-232С, но не всегда это и требуется.

Для взаимного преобразования уровней интерфейса RS-232С и логики специально выпускаются буферные микросхемы приемников (с гистерезисом) и передатчиков двуполярного сигнала. При несоблюдении правил заземления и коммутации они обычно становятся первыми жертвами «пиротехнических» эффектов. Раньше их нередко устанавливали в «кроватки», что облегчало их замену. Цоколевка популярных микросхем формирователей сигналов RS-232С приведена на рис. 2.7. Часто буферные схемы входят прямо в состав интерфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии оборачивается крупными финансовыми потерями. Вывести из строя интерфейсные микросхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно: ток короткого замыкания передатчиков обычно не превышает 20 мА.

В специальных кабелях-адаптерах часто применяют преобразователи уровней фирмы Maxim и Sypex; они удобны тем, что содержат и приемники, и передатчики. Из широкого ассортимента этих преобразователей легко подобрать подходящий по количеству приемников и передатчиков, а также по питанию (однополярному, двуполярному, низковольтному).

Когда требуется  большая помехоустойчивость (дальность  и скорость передачи), применяют  иные электрические варианты последовательных интерфейсов: RS-422А (V.11, Х.27), RS-423А (V. 10, Х.26), RS-485. На рис. 2.8 приведены схемы соединения приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V). Несимметричные линии интерфейсов RS-232С и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423А позволяет в какой-то мере исправить ситуацию. Лучшие параметры имеют интерфейсы RS-422А и RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные приемопередатчики с отдельной (витой) парой проводов для каждой сигнальной цепи.

Интерфейсы EIA-RS-422 (ITU-Т V.11, Х.27) и EIA-RS-485 (ISO 8482) используют симметричную передачу сигнала и допускают  как двухточечную, так и шинную топологию соединений. В них информативной  является разность потенциалов между  проводниками А и В. Если на входе приемника U_A-U_B>0,2В (А положительнее В) - состояние «выключено» (space), U_A-U_B<-0,2В (А отрицательнее В) - состояние «включено» (mark). Диапазон |U_A-U_B|<0,2В является зоной нечувствительности (гистерезис), защищающей от воздействия помех. На выходах передатчика сигналы U_A и U_B обычно переключаются между уровнями 0 и +5 В (КМОП) или +1 и +4 В (ТТЛ), дифференциальное выходное напряжение должно лежать в диапазоне 1,5-5 В. Выходное сопротивление передатчиков 100 Ом. Интерфейсы электрически совместимы между собой, хотя и имеют некоторые различия в ограничениях. Принципиальное отличие передатчиков RS-485 - возможность переключения в третье состояние. Передатчики RS-422/485 совместимы с приемниками RS-423. Основные параметры интерфейсов приведены в табл. 2.3, топологию соединений иллюстрирует рис. 2;9.

Чтобы увеличить  число узлов, можно повысить входное  сопротивление приемников, но при  этом снижается допустимая скорость или максимально возможная дальность  передачи. Максимальная скорость передачи на коротких расстояниях (до 10 м) ограничивается быстродействием передатчиков (достижима частота 25 МГц). На средних расстояниях ограничение определяется емкостью кабеля (1200 бит/с - 25 нФ, 9600 бит/с - 30 нФ, 115 кбит/с - 250 пФ). Максимальная дальность (1200 м) ограничена сопротивлением петли постоянному току.

Интерфейс RS-485 может  быть в двух версиях: двухпроводной  и четырехпроводной. Четырехпроводная версия (рис. 2.9, 6) выделяет задающий узел (master), передатчик которого работает на приемники всех остальных. Передатчик задающего узла всегда активен - переход в третье состояние ему не нужен. Передатчики остальных ведомых (slave) узлов должны иметь тристабильные выходы, они объединяются на общей шине с приемником ведущего узла. В двухпроводной версии (рис. 2.9, в) все узлы равноправны.

В вырожденном  случае - при двухточечном соединении - интерфейсы RS-485 и RS-422 эквивалентны, и третье состояние не используется.

Для определенности состояния покоя шины RS-485, когда  нет активных передатчиков, на линию  устанавливают активные терминаторы, «растягивающие» потенциалы проводов. В покое провод В должен иметь более положительный потенциал, чем А.

При многоточечном  соединении необходимо организовать метод доступа к среде передачи. Чаще всего используют полинг (polling) - опрос готовности к передаче, выполняемый ведущим устройством, или передачу права доступа в соответствии с определенным (установленным) регламентом. Иногда используют и методы случайного доступа (аналогично Ethernet).

Дифференциальный  вход интерфейсов защищает от действия помех, но при этом должно осуществляться соединение «схемных земель» устройств  между собой и с шиной заземления. Для соединения устройств между  собой используют третий провод интерфейса (можно и экран). Для того чтобы по третьему проводу не протекал большой ток, выравнивающий «земляные потенциалы», в его цепь включают резисторы (рис. 2.10).

Интерфейс RS-422 часто  используется для подключения периферийных устройств (например, принтеров). Интерфейс RS-485 популярен в качестве шин устройств промышленной автоматики.

Интерфейс «токовая петля» для представления сигнала  использует не напряжение, а ток  в двухпроводной линии, соединяющей  приемник и передатчик. Логической единице (состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю - отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии - приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля  обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы  устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса. Заметим, что интерфейс MIDI (см. п. 8.5.3) с «классической» токовой петлей несовместим.

Токовая петля  с гальванической развязкой позволяет  передавать сигналы на расстояния до нескольких километров, но при невысоких скоростях (выше 19 200 бит/с не используют, а на километровых расстояниях допустима скорость до 9600 бит/с и ниже). Допустимое расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала последовательного интерфейса (4-проводная линия). В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, применяют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (программный протокол). При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник "слышит" как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал. Для безошибочного приема передатчики должны работать поочередно.

Токовая петля  позволяет использовать выделенные физические линии без модемов, но на малых скоростях. Иногда по токовой петле подключают терминалы с интерфейсом RS-232С, если не хватает штатной длины интерфейса или требуется гальваническая развязка. Преобразовать сигналы RS-232С в токовую петлю несложно - на рис. 2.11 приведена простейшая схема преобразователя примени тельно к подключению терминала. Для получения двуполярного сигнала, требуемого для входных сигналов СОМ-порта, применяется питание от интерфейса. Схема может быть усложнена для защиты оптронов от перегрузки и улучшения формы потенциальных сигналов. Допустимая скорость определяется и быстродействием применяемых оптронов (скорость 9600 бит/с достигается практически на любых оптронах).

2.3 Асинхронный режим  передачи

Асинхронный режим  передачи является байт-ориентированным (символьно-ориентированным): минимальная  пересылаемая единица информации - один байт (один символ). Формат посылки  байта иллюстрирует рис. 2.12. Передача каждого байта начинается со старт-бита, сигнализирующего приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками. 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. Очевидно, что 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 синхронизаций реально допустимо меньшее отклонение частот. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внутреннего генератора (чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интервала, и требования к согласованности частот становятся более строгие. Чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Взаимодействие этих факторов приводит к повышению требований к согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена.

Формат асинхронной  посылки позволяет выявлять возможные  ошибки передачи. Если принят перепад, сигнализирующий о начале посылки, а по стробу старт-бита зафиксирован уровень логической единицы, старт-бит  считается ложным и приемник снова переходит в состояние ожидания. Об этой ошибке приемник может не сообщать.

Если во время, отведенное под стоп-бит, обнаружен  уровень логического нуля, фиксируется  ошибка стоп-бита.

Если применяется  контроль четности, то после посылки  бит данных передается контрольный 6ит. Этот бит дополняет количество единичных бит данных до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием байта с неверным значением контрольного бита приводит к фиксации ошибки. Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии: как правило, при обрыве приемник «видит» логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит и нулевые биты данных, но потом срабатывает контроль стоп-бита. Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150,300,600,1200,2400,4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Иногда, вместо единицы измерения "бит/с" используют "бод" (baud), но при рассмотрении двоичных передаваемых сигналов это некорректно. В бодах принято измерять, частоту изменения состояния линии, а при недвоичном способе кодирования (широко применяемом в современных модемах) в канале связи скорости передачи бит (бит/с) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз.

Количество 6ит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форматы распространены незначительно). Количество cmon-бит может быть 1, 1,5 или 2 («полтора бита» означает только длительность стопового интервала).

2.4 Управление потоком  данных

Для управления потоком данных (Flow Control) могут использоваться два варианта протокола - аппаратный и программный. Иногда управление потоком путают с квотированием. Квитирование (handshaking) подразумевает посылку уведомления о получении элемента, в то время как управление потоком предполагает посылку уведомления о возможности или невозможности последующего приема данных. Зачастую управление потоком основано на механизме квитирования. Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (hardware flow control) использует сигнал СТS, который позволяет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему (рис. 2.13). Передатчик «выпускает» очередной байт только при включенной линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует целостность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию передатчика на состояние приемника. Микросхемы асинхронных приемопередатчиков имеют не менее двух регистров в приемной части - сдвигающий, для приема очередной посылки, и хранящий, из которого считывается принятый байт. Это позволяет реализовать обмен по аппаратному протоколу без потери данных.

Аппаратный протокол удобно использовать при подключении  принтеров и плоттеров, если они его поддерживают. При непосредственном (без модемов) соединении двух компьютеров аппаратный протокол требует перекрестного соединения линий RTS - CTS.

При непосредственном соединении у передающего терминала  должно быть обеспечено состояние «включено» на линии CTS (соединением собственных линий RTS - CTS), в противном случае передатчик будет «молчать».

Применяемые в IBM PC приемопередатчики 8250/16450/16550 сигнал CTS аппаратно не отрабатывают, а только показывают его состояние в регистре MSR (см. п. 2.5). Реализация протокола RTS/CTS возлагается на драйвер BIOS Int 14h, 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 игнорировать сигнал CTS (если не используется модем), и для них не требуется соединение входа CTS с выходом даже своего сигнала RTS. Однако существуют и иные приемопередатчики (например,8251), в которых сигнал СТS отрабатывается аппаратно. 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 методом XON/XOFF)остается лишь для буферированной (в режиме FIFO) передачи.

Программный протокол управления потоком XON/ХОFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает протокол следующим  образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым оно не может их дальше принимать, оно по обратному последовательному каналу посылает байт-символ XOFF (13h). Противоположное устройство, приняв этот символ, приостанавливает передачу. Когда принимающее устройство снова становится готовым к приему данных, оно посылает символ XON (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 (XON или XOFF) плюс время реакции программы передатчика на прием символа (рис. 2.14). Из этого следует, что данные без потерь могут приниматься только приемником, имеющим дополнительный буфер принимаемых данных и сигнализирующим о неготовности заблаговременно (имея в буфере свободное место).

Преимущество  программного протокола заключается  в отсутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса - минимальный кабель для двустороннего обмена может иметь только 3 провода (см. рис. 2.5, а). Недостатком,помимо обязательного наличия буфера и большего времени реакции (снижающего общую производительность канала из-за ожидания сигнала XON), является сложность реализации полнодуплексного режима обмена. В этом случае из потока принимаемых данных должны выделяться (и обрабатываться) символы управления потоком, что ограничивает набор передаваемых символов. Кроме этих двух распространенных стандартных протоколов, поддерживаемых и ПУ, и ОС, существуют и другие.