Анатомия COM-порта. Сигналы квитирования (RTS, CTS итп) и RS232 вообще

В последнее время последовательный способ передачи данных вытесняет параллельный.
За примерами далеко ходить не надо: появление шин USB и SATA говорит само за себя.
И действительно, параллельную шину трудно масштабировать (удлинить шлейф, увеличить частоту тактирования шины), неудивительно, что технологии поворачиваются к параллельным шинам задней частью.

Последовательные интерфейсы

На сегодня существует великое множество различных интерфейсов последовательной передачи данных.
Кроме уже упомянутых USB и SATA еще можно вспомнить как минимум два широко известных стандарта RS-232 и MIDI (он же и GamePort).
Объединяет их все то же - последовательная передача каждого бита информации, или Serial Interface.
Преимуществ у подобных интерфейсов великое множество, и самое главное из них - малое количество соединительных проводов, а следовательно, меньшая цена.

Передача данных

Последовательную передачу данных можно реализовать двумя способами: асинхронным и синхронным.

Синхронная передача данных предполагает синхронизацию работы приемника и передатчика посредством включения тактовой информации в передаваемый сигнал или путем использования специальной синхро-линии.
Приемник и передатчик должны быть соединены специальным синхронизационным кабелем, который обеспечивает работу устройств на одной частоте.

Асинхронная передача подразумевает использование специальных битов, маркирующих начало и конец данных – стартового (логический ноль) и стопового (логическая единица) бита.
Также возможно использование специального бита четности, который определяет четное или нечетное количество передаваемых единичных битов (в зависимости от принятого соглашения).
На принимающей стороне проводится анализ этого бита, и если бит четности не соответствует количеству единичных битов, то пакет данных пересылается снова.

Стоит отметить, что такая проверка позволяет обнаружить ошибку только в том случае, если был передан неправильно только один бит, в случае, если неправильно передались несколько битов, эта проверка уже становится некорректной.
Посылка следующего пакета данных может происходить в любой момент после посылки стопового бита, и, естественно, должна начинаться со стартового бита.
Ничего не понятно?

Ну, если бы все компьютерные технологии были просты, то любая домохозяйка давно бы уже лепила параллельно с пельменями новые протоколы …
Попробуем взглянуть на процесс по-другому.
Данные передаются пакетами, примерно как IP пакеты, вместе с данными идут и информационные биты, количество этих битов может варьироваться от 2 до 3 с половиной.
С половиной?!
Да, ты не ослышался, именно с половиной!

Стоповый бит, а вернее передаваемый сигнал соответствующий стоповому биту, может иметь длительность большую, чем сигнал соответствующий биту-единице, но меньшую чем для двух битов.
Так вот, пакет всегда начинается со стартового бита, который всегда имеет значение ноль, после чего идут биты данных, потом бит четности, а потом и стоповый бит, всегда равный единице.
Потом через некоторый произвольный промежуток времени поход битов на Москву продолжается.

Такой способ передачи подразумевает, что приемник и передатчик должны работать с одной скоростью (ну, или почти с одной), иначе пришедшие биты данных приемник будет либо не успевать обрабатывать, либо принимать старый бит за новый.
Для того чтобы этого избежать, каждый бит стробируется, то есть посылается синхронно со специальным сигналом - «стробом», формируемым внутри прибора.
Существует ряд определенных скоростей работы асинхронных устройств - 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит в секунду.

Ты наверняка слышал, что в качестве единицы измерения скорости передачи данных используется «бод» - частота изменения состояния линии, и эта величина будет совпадать со скоростью передачи данных только в случае если сигнал может иметь одно из двух значений.
Если же в одном изменении сигнала закодировано несколько бит (а это встречается у многих модемов), скорость передачи и частота изменения линии будут совершенно различными величинами.

Теперь пару слов о загадочном термине «пакет данных».
Под пакетом в данном случае понимается набор битов, передаваемых между стартовым и стоповым битами.
Их число может изменяться от пяти до восьми.
Можно задаться вопросом, почему именно пять-восемь бит?
Почему бы не передать сразу, скажем, килобайт данных внутри пакета?

Ответ очевиден: передавая маленькие пакеты данных, мы пусть и проигрываем, отправляя с ними три служебных бита (от 50 до 30 процентов данных), зато если при передаче пакет будет испорчен, мы легко узнаем это (помнишь про бит четности?) и быстро передадим его снова.
А вот в килобайте данных ошибку обнаружить будет уже трудно, и передавать его будет гораздо сложнее.

В качестве примера асинхронного последовательного устройства передачи данных можно привести COM-порт компьютера, любимый модем с дизайном от Труссарди и мышь, подключаемую к этому же порту, которую недалекие секретарши почему-то все время стараются засунуть в PS/2.
Работают все эти устройства по интерфейсу RS-232, вернее по асинхронной его части, поскольку в стандарте описана и синхронная передача данных.

Serial port (серийный порт, последовательный порт или COM-порт -, communications port) — это последовательный интерфейс с двойной направленностью.

Почему порт назвается последовательным? Потому, что вся информация по этому порту передается шагом равным одному биту. В нем данные передаются бит за битом, в отличие от параллельного порта.

Несмотря на то, что в некоторых других интерфейсах как, например, в Ethernet , FireWire и USB , применяется последовательный обмен данными, название «последовательный порт» закрепилось за портом, обладающим стандартом RS-232C .

Данный порт, в сравнении с другими "последовательными" технологиями, обладает отличительной особенностью: в нем отсутствует какое-либо временное требование между 2 байтами. Временные требования существуют только между битами одного байта. Величина, обратная временной паузе между битами одного байта, носит название «baud rate» (скорость передачи). Кроме того, в данной технологии нет такого понятия, как "пакет". Другие технологии "последовательной" передачи данных (X.25, USB или Ethernet), используют "пакеты", также в них существуют и жесткие временные требования между битами одного пакета.

В части протоколов связи с индустриальным оборудованием имеются жесткие временные требования между байтами последовательного порта. Реализация в многозадачных операционных системах со слабой поддержкой реального времени этих протоколов очень сложна. К этим системам относятся и Windows. Вот почему для работы с этими протоколами зачастую применяют MS-DOS или более устаревшее программное обеспечение.

Самый распространенный для последовательного порта стандарт - RS-232C. Ранее последовательный порт применялся для подключения терминала, позднее его использовали для подключения модема или мыши. В настоящее время его применяют в качестве средства соединения с источниками бесперебойного питания, а также в качестве средства связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем, спутниковыми ресиверами, кассовыми аппаратами и приборами систем безопасности.

Благодаря COM-порту появляется возможность подключить друг к другу два ПК, применяя так называемый «нуль-модемный кабель». Данный метод использовался со времен MS-DOS в целях перекачки файлов с одного компьютера на другой. В UNIX-системах он использовался для терминального доступа к другой машине, а в операционных системах Windows - для отладчика уровня ядра.

Довольно популярный в свое время в IBM-совместимых ПК последовательный порт, сегодня уже морально устарел. Однако, следует отметить, что он еще нередко используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, а также на некоторых современных компьютерах. Последовательный порт активно вытесняется интерфейсом USB и FireWire.

Однако имеются специальные стандарты эмуляции последовательного порта над USB и над Bluetooth . Кстати, любопытно, но именно Bluetooth-технология проектировалась разработчиками в качестве беспроводной версии последовательного порта. Программная эмуляция порта широко используется и по сей день. Так, практически все мобильные телефоны сегодня эмулируют внутри себя COM-порт и модем, с целью реализации тетеринга (доступа компьютера к сети Интернет через GPRS/EGDE/3G). А вот непосредственно для физического подключения к компьютеру применяется USB, Bluetooth или Wi-Fi технологии.

Кроме того, программная эмуляция последовательного порта возможна для гостевых пользователей виртуальных машин VMWare и Microsoft Hyper-V. Основной целью данной процедуры является подключение отладчика уровня ядра Windows к гостевому клиенту.

Достоинства COM-порта

Главное преимущество данной технологии состоит в простоте подключения.

Недостатки COM-порта

Главными недостатками данного порта являются его низкая скорость, большие размеры разъемов, а также высокие требования к времени отклика операционной системы. Также, в данном стандарте наблюдается высокое количество прерываний (одно прерывание на каждые 8 байт).

Разъемы

Самыми распространенными разъемами стандарта являются 9-ти и 25-ти контактные (DB-9 и DB-25, соответственно), которые были стандартизированы в 1969 году. Это D-образные разъемы. Помимо них использовались и другие, но из этого же семейства: DB-31 и круглые восьмиконтактные DIN-8.

Максимальная скорость передачи (в обычном исполнении) достигает 115 200 бод.

Аппаратура

Разъем обладает следующими контактами:

• DTR (Data Terminal Ready) - выход на ПК, вход - на модеме. Отвечает за готовность компьютера к работе с модемом. Сброс вызывает почти полную перезагрузку модема. В случае с мышью, данный провод используется для осуществления питания.
• DSR (Data Set Ready) - вход на ПК, выход - на модеме. Отвечает за готовность модема. Если линия в нуле, то в некоторых операционных системах невозможно открыть порт в качестве файла.
• RxD (Receive Data) - вход на ПК, выход - на модеме. Обозначает поток входящих в ПК данных.
• TxD (Transmit Data) - выход на ПК, вход - на модеме. Обозначает поток исходящих от ПК данных.
• CTS (Clear to Send) - вход на ПК, выход - на модеме. Компьютер должен приостановить процесс передачи данных, пока данный провод не будет выставлен в единицу. Применяется в аппаратном протоколе управления потоком в целях недопущения переполнения на модеме.
• RTS (Request to Send) - выход на ПК, вход - на модеме. Модем должен приостановить процесс передачи данных, до тех пор, пока провод не будет выставлен в единицу. Применяется в аппаратном протоколе управления потоком в целях недопущения переполнения в оборудовании/драйвере.
• DCD (Carrier Detect) - вход на ПК, выход - на модеме. После установления связи с модемом с той стороны возводится в единицу, сбрасывается в ноль, в случае разрыва связи. Аппаратура ПК может производить прерывание, в случае наступления подобного события.
• RI (Ring Indicator) - вход на ПК, выход - на модеме. После детерминации вызывного сигнала телефонного звонка, возводится модемом в единицу. Аппаратная часть ПК может производить прерывание, в случае наступления подобного события.
• SG (Signal Ground) - общий сигнальный провод порта. Важно: земля - не общая . Обычно провод имеет изоляцию от корпуса ПК или модема.

В нуль-модемном кабеле применяются две перекрещенные пары: TXD/RXD и RTS/CTS.

UART 16550 - стандартная аппаратура порта. Сегодня включена в SuperIO микросхему на материнской плате. Со времен IBM PC, она оснащена аппаратной очередью байтов. Она существенно снижает число возникающих прерываний.

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД - оконечное оборудование данных, или АПД - 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. 1; интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АКД, соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 2).

Рис.1. Полная схема соединения по RS-232C

Рис.2. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но COM-порты поддерживают только асинхронный режим. Функционально RS-232C 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 обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице (состояние MARK) на входе данных (сигнал RxD) соответствует 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 (“выключено”) - от –12 до –3 В. Диапазон от –3 до +3 В - зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 3). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от –12 до –5 В и от +5 до +12 В. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов. Заметим, что сигналы уровней ТТЛ (на входах и выходах микросхем UART) передаются в прямом коде для линий TxD и RxD и в инверсном - для всех остальных.

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 выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов.

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

На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки DB-25S или DB-9S.

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. 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 перекрестно по одной из схем, приведенных на рис. 5.

Рис. 3. Прием сигналов RS-232C

Рис. 4. Кабели подключения модемов

Рис. 5. Нуль-модемный кабель: а - минимальный, б - полный

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. 1 приведено назначение контактов разъемов COM-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных АПД). Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-E, 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.

Таблица 1. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C

1 Ленточный кабель 8-битных мультикарт.
2 Ленточный кабель 16-битных мультикарт и портов на системных платах.
3 Вариант ленточного кабеля портов на системных платах.
4 Широкий ленточный кабель к 25-контактному разъему.

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения COM-порта PC. Для удобства будем пользоваться мнемоникой названий, принятой в описаниях COM-портов и большинства устройств (она отличается от безликих обозначений RS-232 и V.24). Напомним, что активному состоянию управляющих сигналов (“включено”) и нулевому значению бита передаваемых данных соответствует положительный потенциал (выше +3 В) сигнала интерфейса, а состоянию “выключено” и единичному биту - отрицательный (ниже –3 В). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 2. Нормальную последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к COM-порту иллюстрирует рис. 6.

Таблица 2. Назначение сигналов интерфейса RS-232C

Рис. 6. Последовательность управляющих сигналов интерфейса

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 соединения DTR–DSR и RTS–CTS в нуль-модемных кабелях.

Асинхронный режим передачи

Асинхронный режим передачи является байт-ориентированным (символьно-ориентированным): минимальная пересылаемая единица информации - один байт (один символ). Формат посылки байта иллюстрирует рис. 7. Передача каждого байта начинается со старт-бита, сигнализирующего приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит четности (Parity). 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 синхронизации 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.

Рис.7. Формат асинхронной передачи RS-232C

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

Управление потоком данных

Для управления потоком данных (Flow Control) могут использоваться два варианта протокола - аппаратный и программный. 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 невозможности последующего приема данных. Зачастую управление потоком основано на механизме квитирования.

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (hardware flow control) использует сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему (рис. 8). 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.

Рис.8. Аппаратное управление потоком

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. Реализация протокола RTS/CTS возлагается на драйвер BIOS Int 14h, и называть его “аппаратным” не совсем корректно. Если же программа, пользующаяся COM-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 CTS отрабатывается аппаратно. Для них, а также для “честных” программ, использование сигнала CTS на разъемах (а то и на кабелях) обязательно.

Программный протокол управления потоком XON/XOFF 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. 9). 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).

Рис.9. Программное управление потоком XON/XOFF

Преимущество программного протокола заключается в отсутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса - минимальный кабель для двустороннего обмена может иметь только 3 провода (см. рис. 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.

Описание интерфейса RS-232, формат используемых разъемов и назначение выводов, обозначения сигналов, протокол обмена данными.

Общее описание

Интерфейс RS-232, совсем официально называемый "EIA/TIA-232-E", но более известный как интерфейс "COM-порта", ранее был одним из самых распространенных интерфейсов в компьютерной технике. Он до сих пор встречается в настольных компьютерах, несмотря на появление более скоростных и "интеллектуальных" интерфейсов, таких как USB и FireWare. К его достоинствам с точки зрения радиолюбителей можно отнести невысокую минимальную скорость и простоту реализации протокола в самодельном устройстве.

Физический интерфейс реализуется одним из двух типов разъемов: DB-9M или DB-25M, последний в выпускаемых в настоящее время компьютерах практически не встречается.

Назначение выводов 9-контактного разъема

Назначение выводов 25-контактного разъема

Из таблиц видно, что 25-контактный интерфейс отличается наличием полноценного второго канала приема-передачи (сигналы, обозначенные "#2"), а также многочисленных дополнительных управляющих и контрольных сигналов. Однако, часто, несмотря на наличие в компьютере "широкого" разъема, дополнительные сигналы на нем просто не подключены.

Электрические характеристики

Логические уровни передатчика: "0" - от +5 до +15 Вольт, "1" - от -5 до -15 Вольт.

Логические уровни приемника: "0" - выше +3 Вольт, "1" - ниже -3 Вольт.

Данные характеристики определены стандартом как минимальные, гарантирующие совместимость устройств, однако реальные характеристики обычно существенно лучше, что позволяет, с одной стороны, питать маломощные устройства от порта (например, так спроектированы многочисленные самодельные data-кабели для сотовых телефонов), а с другой - подавать на вход порта инвертированный TTL-уровень вместо двуполярного сигнала.

Описание основных сигналов интерфейса

CD - Устройство устанавливает этот сигнал, когда обнаруживает несущую в принимаемом сигнале. Обычно этот сигнал используется модемами, которые таким образом сообщают хосту о обнаружении работающего модема на другом конце линии.

RXD - Линия приема хостом данных от устройства. Подробно описана в разделе "Протокол обмена данными".

TXD - Линия передачи хостом данных к устройству. Подробно описана в разделе "Протокол обмена данными".

DTR - Хост устанавливает этот сигнал, когда готов к обмену данными. Фактически сигнал устанавливается при открытии порта коммуникационной программой и остается в этом состоянии все время, пока порт открыт.

DSR - Устройство устанавливает этот сигнал, когда включено и готово к обмену данными с хостом. Этот и предыдущий (DTR) сигналы должны быть установлены для обмена данными.

RTS - Хост устанавливает этот сигнал перед тем, как начать передачу данных устройству, а также сигнализирует о готовности к приему данных от устройства. Используется при аппаратном управлении обменом данными.

CTS - Устройство устанавливает этот сигнал в ответ на установку хостом предыдущего (RTS), когда готово принять данные (например, когда предыдущие присланные хостом данные переданы модемом в линию или есть свободное место в промежуточном буфере).

RI - Устройство (обычно модем) устанавливает этот сигнал при получении вызова от удаленной системы, например при приеме телефонного звонка, если модем настроен на прием звонков.

Протокол обмена данными

В протоколе RS-232 существуют два метода управления обменом данных: аппаратный и программный, а также два режима передачи: синхронный и асинхронный. Протокол позволяет использовать любой из методов управления совместно с любым режимом передачи. Также допускается работа без управления потоком, что подразумевает постоянную готовность хоста и устройства к приему данных, когда связь установлена (сигналы DTR и DSR установлены).

Аппаратный метод управления реализуется с помощью сигналов RTS и CTS. Для передачи данных хост (компьютер) устанавливает сигнал RTS и ждет установки устройством сигнала CTS, после чего начинает передачу данных до тех пор, пока сигнал CTS установлен. Сигнал CTS проверяется хостом непосредственно перед началом передачи очередного байта, поэтому байт, который уже начал передаваться, будет передан полностью независимо от значения CTS. В полудуплексном режиме обмена данными (устройство и хост передают данные по очереди, в полнодуплексном режиме они могут делать это одновременно) снятие сигнала RTS хостом означает его переход в режим приема.

Программный метод управления заключается в передаче принимающей стороной специальных символов остановки (символ с кодом 0x13, называемый XOFF) и возобновления (символ с кодом 0x11, называемый XON) передачи. При получении данных символов передающая сторона должна соответственно остановить передачу или возобновить ее (при наличии данных, ожидающих передачи). Этот метод проще с точки зрения реализации аппаратуры, однако обеспечивает более медленную реакцию и соответственно требует заблаговременного извещения передатчика при уменьшении свободного места в приемном буфере до определенного предела.

Синхронный режим передачи подразумевает непрерывный обмен данными, когда биты следуют один за другим без дополнительных пауз с заданной скоростью. Этот режим COM-портом не поддерживается .

Асинхронный режим передачи состоит в том, что каждый байт данных (и бит контроля четности, в случае его наличия) "оборачивается" синхронизирующей последовательностью из одного нулевого старт-бита и одного или нескольких единичных стоп-битов. Схема потока данных в асинхронном режиме представлена на рисунке.

Один из возможных алгоритмов работы приемника следующий:

1. Ожидать уровня "0" сигнала приема (RXD в случае хоста, TXD в случае устройства).
2. Отсчитать половину длительности бита и проверить, что уровень сигнала все еще "0"
3. Отсчитать полную длительность бита и текущий уровень сигнала записать в младший бит данных (бит 0)
4. Повторить предыдущий пункт для всех остальных битов данных
5. Отсчитать полную длительность бита и текущий уровень сигнала использовать для проверки правильности приема с помощью контроля четности (см. далее)
6. Отсчитать полную длительность бита и убедиться, что текущий уровень сигнала "1".