Реферат: Канал последовательной связи на основе МС 8251

          DCD является инвертированным сигналом Data Carrier Detect (DCD). При установленном режиме «шлейфа» (бит LB регистра MCR имеет значение 1) этот бит эквивалентен биту Out2 регистра MCR.

          RI является инвертированным сигналом Ring Indicator (RI). При установленном режиме «шлейфа» (бит LB регистра MCR имеет значение 1) эквивалентен биту Out1 регистра MCR.

          DSR является инвертированным сигналом Data Set Ready (DSR). В режиме  «шлейфа» (бит LB регистра MCR имеет значение 1) эквивалентен биту DTR регистра MCR.

CTS – инвертированный сигнал Clear to Send (CTS). При установленном режиме «шлейфа» (бит LB регистра MCR имеет значение 1) этот бит эквивалентен биту RTS регистра MCR.

Биты  DDCD, TERI, DDSR и DCTS являются индикаторами изменения состояния модема и установка любого из этих битов в значение 1 приводит к порождению прерывания по состоянию модема, если оно разрешено в регистре IER.

DDCD является индикатором изменения сигнала Data Carrier Detect (DCD). Этот бит принимет значение 1 при изменении сигнала DCD после последней операции чтения регистра MSR.

TERI является индикатором заднего фронта сигнала RI. Этот бит принимает значение 1 при изменении сигнала RI с уровня логической 1 на уровень логического нуля.

DDSR  является индикатором изменения сигнала Data Set Ready (DSR). Этот бит принимает значение 1 при изменении сигнала DSR после последней операции чтение регистра MSR.

DTCS является индикатором изменения сигналаClear to Send (CTS). Этот бит принимает значение 1 при изменении сигнала CTS после последней операции чтения регистра MSR.

Не используемый регистр (Scratch Register). Имеет адрес 7 относительно базового адреса контроллера и доступен по чтения и записи. Регистр не управляет контроллерам и может быть использован в качестве рабочего регистра для хранения каких либо данных.

Программируемый генератор. Программируемый генератор служит для установки частоты контроллера последовательного интерфейса. Частота следования определяется как отношение частоты задающего генератора к делителю частоты. Частота задающего генератора равна 1.8432Мгц. делитель частоты представляет собой 16–ти  битовое число, младший и старший байт которого загружаются по отдельности через регистры буфера делителя. После операции записи любой из регистров делителя делитель перезагружается сразу же. В таблице 1.4 приведены необходимые значения делителя для получения требуемой частоты следования.

                                           Таблица 1.4

Последовательная передача данных

Микропроцессорная система без средств ввода и вывода ока­зывается бесполезной. Характеристики и объемы ввода и вывода в системе определяются, в первую очередь, спецификой ее применения — например, в микропроцессорной системе управления некоторым промышленным процессом не требуется клавиатура и дисплей, так как почти наверняка ее дистанционно программирует и контроли­рует главный микрокомпьютер (с использованием последовательной линии RS–232C).

Поскольку данные обычно представлены на шине микропроцессора в параллельной форме (байтами, словами), их последовательный ввод–вывод оказывается несколько сложным. Для последовательного ввода потребуется средства преобразования последовательных входных данных в параллельные данные, которые можно поместить на шину. С другой стороны, для последовательного вывода необходимы средства преобразования параллельных данных, представленных на шине, в последовательные выходные данные. В первом случае преобразование осуществляется регистром сдвига с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO), а во втором — регистром сдвига с параллельным входом и последовательным выходом (PISO).

Последовательные данные передаются в синхронном или асинхронном режимах. В синхронном режиме все передачи осуществляются под управлением общего сигнала синхронизации, который должен присутствовать на обоих концах линии связи. Асинхронная передача подразумевает передачу данных пакетами; каждый пакет содержит необходимую информацию, требующуюся  для декодирования содержащихся в нем данных. Конечно, второй режим сложнее, но у него есть серьезное преимущество: не нужен отдельный сигнал синхронизации.

Существуют специальные микросхемы ввода и вывода, решающие проблемы преобразования, описанные выше. Вот список наиболее типичных сигналов таких микросхем:

D0–D7 — входные–выходные линии данных, подключаемые непосредственно к шине процессора;

RXD — принимаемые данные (входные последовательные данные);

TXD — передаваемые данные (выходные последовательные данные);

CTS — сброс передачи. На этой линии периферийное устройство формирует сигнал низкого уровня, когда оно готово воспринимать информацию от процессора;

RTS — запрос передачи. На эту линию микропроцессорная система выдает сигнал низкого уровня, когда она намерена передавать данные в периферийное устройство.

Все сигналы программируемых микросхем последовательного ввода–вывода ТТЛ–совместимы. Эти сигналы рассчитаны только на очень короткие линии связи. Для последовательной передачи данных на значительные расстояния требуются дополнительные буферы и преобразователи уровней, включаемые между микросхемами последовательного ввода–вывода и линией связи.

Протокол последовательной связи.

                Попытка установить последовательный обмен информацией будет бесполезной, если одно из устройств будет включено. Без принимающего устройства передаваемая информация будет бесследно исчезать в канале. К счастью RS – 232 в своих спецификациях выделяет 2 проводника для определения подключения к каждому концу последовательного канала устройства и его состояния ( влкючено ли устройство).

          Сигнал, передаваемый по 20 контакту, и называется сигналом готовности терминала (Data Terminal ready – DTR). Он имеет позитивную форму с DTE – устройства для сообщения о том, что оно подключено, обеспечено питание и готово начать сеанс связи.

          Аналогично сигнал поступает на контакт 6. Он называется сигналом готовности набора данных (Data set ready – DSR). Этот сигнал так же представляется в позитивном виде и говорит о том что DCE -  устройство включено и готово к работе.

В нормальном канале RS – 232 оба эти сигнала должны появиться прежде чем произойдет что-либо. Устройство DTE посылает сигнал DTR устройству DSE, и DSE посылает сигнал DSR устройству DTE. Теперь оба устройства знают, что другое устройство готово к работе.

Обычно аппаратное квитирование модема реализуется при помощи двух различных проводников. Устройства DCE устанавливает положительное напряжение в 5 линии, что говорит о готовности к приёму (Clear to send – CTS). Устройство DTE воспринимает этот сигнал как «путь свободен». С другой стороны канала устройство DTE устанавливает положительное напряжение на 4ом контакте. Этот сигнал называется запрос на передачу (Request to Send – RTS ). Он говорит о том, что DCE должно получить информацию.

          Важное правило гласит, если оба сигнала и CTS, RTS не представленные положительным напряжением, информация не будет передаваться  ни в одном направлении. Если положительное напряжение отсутствует на контакте CTS, устройство DTE  не передаст информацию на DCE. Если же положительное напряжение отсутствует в линии RTS, DCE не передаст информацию DTE.

          Ещё один сигнал порождается DCE,который необходим для начала передачи информации. Это сигнал определения передачи информации (Carrier Detect или Data Carrier Detect – CD или DCD). Положительное напряжение в этой линии  указывает, что модем DCE получил несущий сигнал с модема с другого конца линии. Если же этот сигнал не выявлен, то последовательность импульсов может быть только шумами в линии. Сигналы CD помогаю DTE узнать, когда следует опасаться помех. В некоторых случаях когда CD не имеют положительного потенциала, DTE будет игнорировать поступающую информацию.

          Сигнал контакта 22 называется индикатором вызова (Ring Indicator – RI). Он используется модемом DCE для индикации терминалу DTE, к которому он подключен, что им определено напряжение вызова в телефонной линии. Другими словами, положительное напряжение RI будет терминал, сообщая ему, что кто-то тревожит модем. В большинстве последовательных системах связи этот сигнал может считаться параметрическим сигналом, потому что его отсутствие не помешает передаче информации.

          Номинально, передаче информации в последовательных каналах предшествует  очень жёсткие протокол. Прежде чем она произойдёт, аппаратура на обеих концах каналах должна быть включена и готова к работе. DTE, компьютер подтвердят сигнал DTR и DCE. Модем подтвердит свой DCR. Когда телефонный вызов разбудит модем он пошлёт RI к компьютеру, который может выдать сообщение на экран. Если модем ведет переговоры с другим модемом на другом конце канала, откуда поступил вызов, местный модем сформирует CD сигнал своему компьютеру. Если они не были включены во время ожидания до вызова, компьютер подтвердит RTS, а модем – CTS.

          Введите информацию с клавиатуры для посылки её через модем или пошлите информацию из файла. Если модем может передать информацию достаточно быстро, он установит сигнал CTS, прося PС подождать немного. Когда сигнал CTS снова устанавливается положительным, компьютер воспринимает это как приглашение к передаче информации.

          Если во время передачи информации у компьютера появится необходимость выполнить какую-либо важную функцию, например, сохранит часть принятой информации на диск, сигнал RTS будет убран, и модем прекратит передачу информации. Когда компьютер освободится, сигнал RTS будет снова установлен и информация будет вновь передаваться через модем.

Интерфейс RS–232C.

Интерфейс RS–232C является наиболее широко распростра­ненной стандартной последовательной связью между микрокомпью­терами и периферийными устройствами. Интерфейс, определенный стандартом Ассоциации электронной промышленности (EIA), под­разумевает наличие оборудования двух видов: терминального DTE и связного DCE.

Чтобы не составить неправильного представления об интер­фейсе RS–232C, необходимо отчетливо понимать различие между этими видами оборудования. Терминальное оборудование, напри­мер микрокомпьютер, может посылать и (или) принимать данные по последовательному интерфейсу. Оно как бы оканчивает (terminate) последовательную линию. Связное оборудование — устройства, которые могут упростить передачу данных совместно с терминальным оборудованием. Наглядным пример связного оборудования служит модем (модулятор–демодулятор). Он оказывается соединительным звеном в последовательной цепочке между компьютером и телефонной линией.

Различие между терминальными и связными устройствами довольно расплывчато, поэтому возникают некоторые сложности в понимании того, к какому типу оборудования относится то или иное устройство. Рассмотрим ситуацию с принтером. К какому оборудованию его отнести? Как связать два компьютера, когда они оба действуют как терминальное оборудование. Для ответа на эти вопросы следует рассмотреть физическое соединение устройств. Произведя незначительные изменения в линиях интерфейса RS–232C, можно заставить связное оборудование функционировать как терминальное. Чтобы разобраться в том, как это сделать, нужно проанализировать функции сигналов интерфейса RS–232C (таблица 1.5).

Таблица 1.5 Функции сигнальных линий интерфейса RS–232C.

Примечания:

1.   Линии 11, 18, 25 обычно считают незаземленными. Приведенная в таблице спецификация относится к спецификациям Bell 113B и 208A.

2.   Линии 9 и 10 используются для контроля отрицательного (MARK) и положительного (SPACE) уровней напряжения.

3.   Во избежание путаницы между RD (Read — считывать) и RD (Received Data — принимаемые данные) будут использоваться обозначения RXD и TXD, а не RD и TD.

Стандартный последовательный порт RS–232C имеет форму 25–контактного разъема типа D (рис 1).

Рис. 1. Назначение линий 25–контактного разъема типа D для интерфейса RS–232C

Терминальное оборудование обычно оснащено разъемом со штырьками, а связное — разъемом с отверстиями (но могут быть и исключения).

Сигналы интерфейса RS–232C подразделяются на следующие классы.

Последовательные данные (например, TXD, RXD). Интерфейс RS–232C обеспечивает два независимых последовательных канала данных: первичный (главный) и вторичный (вспомогательный). Оба канала могут работать в дуплексном режиме, т.е. одновременно осуществляют передачу и прием информации.

Управляющие сигналы квитирования (например, RTS, CTS). Сигналы квитирования — средство, с помощью которого обмен сигналами позволяет DTE начать диалог с DCE до фактической передачи или приема данных по последовательной линии связи.

Сигналы синхронизации (например, TC, RC). В синхронном режиме (в отличие от более распространенного асинхронного) между устройствами необходимо передавать сигналы синхронизации, которые упрощают синхронизм принимаемого сигнала в целях его декодирования.

На практике вспомогательный канал RS–232C применяется редко, и в асинхронном режиме вместо 25 линий используются 9 линий

(таблица 1.6).

Таблица 1.6 Основные линии интерфейса RS–232C.

Виды сигналов

В большинстве схем, содержащих интерфейс RS–232C, данные передаются асинхронно, т.е. в виде последовательности пакета данных. Каждый пакет содержит один символ кода ASCII, причем информация в пакете достаточна для его декодирования без отдельного сигнала синхронизации.

Символы кода ASCII представляются семью битами, например буква А имеет код 1000001. Чтобы передать букву А по интерфейсу RS–232C, необходимо ввести дополнительные биты, обозначающие начало и конец пакета. Кроме того, желательно добавить лишний бит для простого контроля ошибок по паритету (четности).

Наиболее широко распространен формат, включающий в себя один стартовый бит, один бит паритета и два стоповых бита. Начало пакета данных всегда отмечает низкий уровень стартового бита. После него следует 7 бит данных символа кода ASCII. Бит четности содержит 1 или 0 так, чтобы общее число единиц в 8–битной группе было нечетным. Последним передаются два стоповых бита, представленных высоким уровнем напряжения. Эквивалентный ТТЛ–сигнал при передаче буквы А показан на рис. 2.

Рис. 2. Представление кода буквы А сигнальными уровнями ТТЛ.

Таким образом, полное асинхронно передаваемое слово состоит из 11 бит (фактически данные содержат только 7 бит) и записывается в виде 01000001011.

Используемые в интерфейсе RS–232C уровни сигналов отличаются от уровней сигналов, действующих в компьютере. Логический 0 (SPACE) представляется положительным напряжением в диапазоне от +3 до +25 В, логическая 1 (MARK) — отрицательным  напряжением в диапазоне от –3 до –25 В. На рис. 3 показан сигнал в том виде, в каком он существует на линиях TXD и RXD интерфейса RS–232C.

Рис. 3. Вид кода буквы А на сигнальных линиях TXD и RXD.

Сдвиг уровня, т.е. преобразование ТТЛ–уровней в уровни интерфейса RS–232C и наоборот производится специальными микросхемами драйвера линии и приемника линии.

На рис. 4 представлен микрокомпьютерный интерфейс RS–232C. Программируемая микросхема DD1 последовательного ввода осуществляет параллельно–последовательные и последовательно–параллельные преобразования данных. Микросхемы DD2 и DD3  производят сдвиг уровней для трех выходных сигналов TXD, RTS, DTR, а микросхема DD4 — для трех входных сигналов RXD, CTS, DSR. Микросхемы DD2 и DD3 требуют напряжения питания ±12 В.

Рис. 4. Схема интерфейса RS–232C.

Усовершенствования

Разработано несколько новых стандартов, направленных на устранение недостатков первоначальных спецификаций интерфейса RS–232C. Среди них можно отметить интерфейс RS–422 (балансная система, допускающая импеданс линии до 50 Ом), RS–423 (небалансная система с минимальным импедансом линии 450 Ом) и RS–449 (стандарт с высокой скоростью передачи данных, в котором несколько изменены функции схем и применяется 37–контактный разъем типа D).

Соединители. Эти дешевые устройства упрощают перекрестные соединения сигнальных линий интерфейса RS–232C. Они обычно оснащаются двумя разъемами типа D (или ленточными кабелями, имеющими розетку и вставку), и все линии проводятся к той области, куда можно вставить перемычки. Такие устройства включаются последовательно с линиями интерфейса RS–232C, и затем проверяются различные комбинации подключений.

Трансформаторы разъема. Обычно эти приспособления имеют разъем RS–232C со штырьками на одной стороне и разъем с отверстиями на другой стороне.

Пустые модемы. Как и предыдущие устройства, пустые модемы включаются последовательно в тракт данных интерфейса RS–232C. Их функции заключаются в изменении сигнальных линий таким образом, чтобы превратить DTE в DCE.

Линейные мониторы. Мониторы индицируют логические состояния (в терминах MARK и SPACE) наиболее распространенных сигнальных линий данных и квитирования. С их помощью пользователь получает информацию о том, какие сигналы в системе присутствуют и активны.

Врезки. Эти устройства обеспечивают доступ к сигнальным линиям. В них, как правило, совмещены возможности соединителей и линейных мониторов и, кроме того, предусмотрены переключатели или перемычки для соединения линий с обоих сторон устройства.

Интерфейсные тестеры. По своей конструкции эти устройства несколько сложнее предыдущих простых устройств. Они позволяют переводить линии в состояния MARK или SPACE, обнаруживать помехи, измерять скорость передачи данных и индицировать структуру слова данных.

1. Тули М. Справочное пособие по цифровой электронике: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Справочник программиста и пользователя/ Под ред. А. Г. Шевчика, Т. В. Демьянкова. — М.: “Кварта”, 1993.

3. Справочник Вегнер В.А.

[1] В таблице приведено значение бита DLAB регистра LCR, который управляет адресацией регистров. Именно этот бит делает возможным доступ к разным регистрам контроллера через порты с одним адресом. В приведённой таблице в графе «DLAB»  стоит символ «X», если для адресации соответствующего регистра состояние данного бита несущественно.

[2] При асинхронной передаче понятие бита неразрывно связано с длительностью сигнала, поэтому вполне возможна посылка нецелого числа стоп-битов. Это может потребоваться, если подключенное к компьютеру устройство не программируется, а жестко настроено на анализ стоп-битов заданной длительности.