СВВиПУ_РК2

Таблица 3. Функции сигнальных линий интерфейса RS-232.

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.

61

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

Рис. 90. Стандартный последовательный порт RS-232C имеет форму 25-контактного разъема типа D

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 (вторичный) RS-232C применяется редко, и в асинхронном режиме вместо 25 линий используются 9 линий (таблица 2).

Таблица 4. Основные линии интерфейса RS-232C (EIA-574, DB9)

62

3.9.1.2 Управление потоком

Иногда устройство не может обработать принимаемые данные от компьютера или другого устройства. Устройство использует управление потоком для прекращения передачи данных. Могут использоваться аппаратное или программное управление потоком.

Аппаратное управление потоком

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS. Он использует дополнительно два провода в кабеле, а не передачу специальных символов по линиям данных. Поэтому аппаратное управление потоком не замедляет обмен в отличие от протокола Xon-Xoff. При необходимости послать данные компьютер устанавливает сигнал на линии RTS. Если приемник (модем) готов к приему данных, то он отвечает установкой сигнала на линии CTS, и компьютер начинает посылку данных. При неготовности устройства к приему сигнал CTS не устанавливается.

63

Программное управление потоком

Программный протокол управления потоком Xon/Xoff использует два символа: Xon и Xoff. Код ASCII символа Xon – 17, а ASCII код Xoff – 19. Модем имеет маленький буфер, поэтому при его заполнении модем посылает символ Xoff компьютеру для прекращения посылки данных. При появлении возможности приема данных посылается символ Xon и компьютер продолжит пересылку данных. Этот тип управления имеет преимущество в том, что не требует дополнительных линий, так как символы передаются по линиям TXD/RXD. Но на медленных соединениях это может привести к значительному замедлению соединения, так как каждый символ требует 10 битов.

3.9.1.3 Разъемы и кабели

Устройства для связи по последовательному каналу соединяются кабелями с 9- ю или 25-ю контактными разъѐмами типа D-sub. Обычно они обозначаются DE-9 (или некорректно: DB-9), DB-25, CANNON 9, CANNON 25.

Первоначально в RS-232 использовались DB-25, но, поскольку многие приложения использовали лишь часть предусмотренных стандартом контактов, стало возможно применять для этих целей 9-штырьковые разъѐмы DE-9 (D-subminiature).

Рис. 91. Разъемы серии D-sub.

D-subminiature, или D-sub – название электрического разъѐма, применяемого, в частности, в компьютерной технике. Название «субминиатюрный» было уместно тогда, когда эти разъѐмы только появились, в наше же время эти разъѐмы относятся к числу наибольших по размерам из используемых в компьютерах.

Разъѐм D-sub содержит два или более параллельных рядов контактов или гнѐзд, обычно окружѐнных металлическим экраном в форме латинской D, который обеспечивает механическое крепление соединения и экранирует от электромагнитных помех. Форма разъѐма в виде буквы D предохраняет от неправильной ориентации разъѐма. Часть разъѐма, содержащая контакты, называется по-английски male connector, или plug (по-русски штекер, или вилка, хотя чаще в данном контексте используется жаргонный термин «папа»), а часть, содержащая гнѐзда — female connector, или socket (розетка или «мама»). Экран розетки плотно входит внутрь экрана вилки. Если используются

64

экранированные кабели, экраны разъѐмов соединяются с экранами кабелей, обеспечивая, таким образом, непрерывное экранирование для всего соединения.

Разъѐмы D-sub были изобретены и введены в употребление фирмой ITT Cannon, подразделением ITT Corporation в 1952 году. В принятой этой фирмой системе обозначений буква D обозначает всю серию разъѐмов D-sub, а вторая буква используется для указания размера разъѐма, исходя из числа стандартных контактов, которые могут разместиться внутри D-образного экрана (A = 15 контактов, B = 25, C = 37, D = 50, E = 9), после чего следует цифра, обозначающая

фактическое число используемых контактов, и буква, обозначающая «пол» разъѐма (M – male, «папа» , F – female, «мама», P – plug, штепсель или «папа», S – socket, розетка или «мама»).

Вероятно, потому, что в оригинальном PC как для параллельного, так и для последовательного портов использовались разъѐмы DB-25, многие, не понимая, что «B» в данном случае означает размер экрана, стали сам разъѐм D-sub называть DB, вместо того, чтобы использовать обозначения «DA», «DC» или «DE». Когда для последовательного порта стали использовать 9-штырьковые разъѐмы, их

начали называть DB9 вместо DE9. Сейчас достаточно распространено, что разъѐмы DE9 продаются, как DB9. Под DB9 в современном мире почти всегда подразумевают 9-штырьковый разъѐм с размером экрана Е.

Рис. 92. Разъемы IDC: а - краевые, б - штырьковые, в - заделка проводов

Разъемы IDC (Insulation-Displacement Connector – разъем, смещающий изоляцию) получили название от способа присоединения кабеля. Контакты этих разъемов со стороны, обращенной к кабелю, имеют ножи, подрезающие и смещающие изоляцию проводников кабеля. Эти разъемы предназначены в основном для ленточных кабелей-шлейфов, хотя в них возможна заделка и одиночных проводников. Для заделки кабелей в эти разъемы существуют специальные инструменты-прессы, но при необходимости можно обойтись плоской отверткой (и умелыми руками). Разъемы IDC существуют как ответные части для краевых печатных разъемов (рис. выше, а) и штырьковых контактов (рис. выше, б). Разъемы могут иметь ключи: для печатных разъемов это прорезь и соответствующая ей перемычка, расположенная ближе к первым контактам.

65

Для штырьковых разъемов ключом является выступ на корпусе, но этот ключ сработает, только если ответная часть имеет пластмассовый бандаж с прорезью. Ключом может являться и отсутствующий штырек – на разъеме для него не оставляют отверстия. На ленточном кабеле крайний провод, соединяемы с контактом «1», маркируют цветной краской (например, красной). На печатной плате штырек «1» обычно имеет отличающуюся от формы других (квадратную) форму контактной площадки. Такого типа разъем используется в учебном лабораторном стенде SDK-1.1 для подключения по интерфейсу RS-232.

3.9.1.4 Формат последовательной передачи данных

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). Оба регистра обычно входят в состав приемопередатчика USART.

Рис. 93. Так выглядит на экране осциллографа последовательная передача данных по интерфейсу RS-232.

66

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

унего есть серьезное преимущество: не нужен отдельный сигнал синхронизации.

Васинхронном режиме посылке очередного байта информации предшествует специальный старт-бит, сигнализирующий о начале передачи (обычно логический «0»). Затем следуют биты данных (их обычно 8), за

которыми может следовать дополнительный бит (его наличие зависит от режима передачи, обычно этот бит выполняет функцию контроля четности).

длительности передачи 1, 1.5 («полтора стоп-бита») или 2 бита (см. рис. выше). Стопбит гарантирует некоторую выдержку между соседними посылками, при этом пауза между ними может быть сколь угодно долгой (без учета понятия «тайм-аута»).

Контроль четности

Контроль четности может быть использован для обнаружения ошибок при передаче данных. При использовании контроля четности посылаются сообщения, подсчитывающие число единиц в группе бит данных. В зависимости от результата устанавливается бит четности. Приемное устройство также подсчитывает число единиц и затем сверяет бит четности. Для обеспечения контроля четности компьютер и устройство должны одинаково производить подсчет бита четности, т.е. определиться устанавливать бит при четном (even) или нечетном (odd) числе единиц. При контроле на четность биты данных и бит четности всегда должны содержать четное число единиц. В противоположном случае выполняется контрол на нечетность. Часто в драйверах UART RS-232 реализуются еще две опции на четность: Mark и Space. Эти опции не влияют на возможность контроля ошибок: Mark означает, что устройство всегда устанавливает бит четности в 1, а Space – всегда в 0.

Обнаружение ошибок

Проверка на четность – это простейший способ обнаружения ошибок. Он может определить возникновение ошибок в одном бите, но при наличии ошибок в двух битах уже не заметит ошибок. Также такой контроль не отвечает на вопрос, какой бит ошибочный. Другой механизм проверки включает в себя старт- и стопбиты, циклические проверки на избыточность, которые часто применяются в соединениях Modbus.

67

Рис. 94. Фомат передачи данных по интерфейсу RS-232.

Примечание: тактовый сигнал используется для асинхронной передачи (это внутренний сигнал UART).

Старт-бит

Сигнальная линия может находиться в двух состояниях: включена и выключена. Линия в состоянии ожидания всегда включена. Когда устройство или компьютер хотят передать данные, они переводят линию в состояние выключено

– это установка старт-бита. Биты сразу после старт-бита являются битами данных.

Стоп-бит

Стоп-бит позволяет устройству или компьютеру произвести синхронизацию при возникновении сбоев. Например, помеха на линии скрыла стартбит. Период между старт- и стоп-битами постоянен согласно значению скорости обмена, числу бит данных и бита четности. Стоп-бит всегда включен. Если

приемник определяет выключенное состояние, когда должен присутствовать стоп-бит, фиксируется появление ошибки. Стоп-бит не просто один бит минимального интервала времени в конце каждой передачи данных. На компьютерах обычно он эквивалентен 1 или 2 битам, и это должно учитываться в программе драйвера. Хотя, 1 стоп-бит наиболее общий, выбор 2 бит в худшем случае немного замедлит передачу сообщения.

Есть возможность установки значения стоп бита равным 1,5. Это используется при передаче менее 7 битов данных. В этом случае не могут быть переданы символы ASCII, и поэтому значение 1,5 используется редко.

3.9.1.5 Работа с последовательным каналом

Простым примером асинхронного обмена с программной проверкой готовности может служить работа с контроллером последовательного канала (UART) «по опросу»: перед тем, как прочитать данные из порта данных контроллера, необходимо проверить, являются ли эти данные результатом приема посылки и не забирались ли они программой ранее. Проще говоря, необходимо проверить данные на достоверность. Перед тем же, как записывать данные для передачи в буфер контроллера, необходимо убедиться, что в буфере

68

есть место, т.е. что запись новых данных в буфер не приведет к уничтожению ранее помещенных и еще не переданных данных.

При организации асинхронного обмена по прерыванию при приеме байта с линии происходит прерывание и передача управления соответствующей программе-обработчику, который читает принятый байт из порта данных контроллера UART и, к примеру, помещает его в специальный буфер-очередь принятых байт, доступный прерванной программе. По завершении процедуры обработки прерывания управление передается в прерванную программу, которая при желании (в любом удобном месте алгоритма) может забрать принятый байт. С другой стороны, при завершении отправки контроллером очередного байта также происходит прерывание, сигнализирующее о том, что байт послан и в буфер UART можно поместить новые данные. Обработчик прерывания при наличии данных в исходящей очереди записывает очередной байт в порт данных контроллера и запускает посылку. Основная же программа может, не заботясь о готовности или неготовности контроллера, принять очередной байт, может спокойно помещать данные в исходящий буфер, а всю работу с устройством выполнит обработчик прерываний, когда оно (устройство) будет готово.

3.9.2 Интерфейс SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) – последовательный синхронный стандарт

Интерфейс SPI, наряду с I2C, относится к самым широко используемым интерфейсам для соединения микросхем. Изначально он был придуман компанией Motorola, а в настоящее время используется в продукции многих производителей [71]. Шина SPI организована по принципу «ведущийподчиненный». В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSPконтроллер или специализированная интегральная схема. В роли подчиненных устройств выступают различного рода микросхемы, в том числе запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, температурные датчики, сенсорные экраны, цифровые потенциометры, коммуникационные контроллеры (Ethernet, USB, CAN, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11), ЖКИ, мультимедийные карты (SD, MMC) и др.

Кроме того, интерфейс SPI является основой для построения ряда специализированных интерфейсов, в том числе, интерфейса JTAG и интерфейсов карт Flash-памяти (мультимедийные карты SD и MMC).

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода-вывода битового потока, которые и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее

69

назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных

выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (chip select) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участие в передаче по SPI.

Частота работы интерфейса SPI составляет 1-70МГц.

3.9.2.1 Типы подключения к шине SPI

Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала (см. таблицу).

Таблица 6. Цифровые сигналы шины SPI.

70