Послідовні інтерфейси СОМ-порт

Послідовні інтерфейси: СОМ-порт

Послідовний інтерфейс для передачі даних в одну сторону використовує одну сигнальну лінію, по якій інформаційні біти передаються один за одним послідовно. Такий спосіб передачі визначає назву інтерфейсу і порту, його реалізує (Serial Interface і Serial Port). Послідовна передача даних може здійснюватися в синхронному і асинхронному режимах.

При асинхронної передачі кожному байту передує старт-біт, що сигналізує приймачу про початок чергової посилки, за якою слідують біти даних або біт паритету (конроля парності). Завершує посилку стоп-біт. Старт-біт (що має значення лог. "0") наступного посланого байта може посилатися у будь-який момент після закінчення стоп-бита. Старт-біт забезпечує механізм синхронізації приймача по сигналу від передавача. Внутрішній генератор синхронізації приймача використовує лічильник-дільник опорної частоти, що обнуляються у момент прийому початку старт-біта. Цей лічильник генерує внутрішні строб, за якими приймач фіксує наступні прийняті біти.

Формат асинхронної посилки дозволяють виявити можливі помилки передачі.

Для асинхронного режиму прийнятий ряд стандартних швидкостей обміну: 50,75,110,150,300,600,1200,2400,4800, 19200,38400,57600,115200 біт / сек. Кількість біт даних може складати 5,6,7,8 біт. Кількість стоп бітів може бути 1,1.5,2 біта. Асинхронний в РС реалізується за допомогою СОМ-порту з використанням протоколу RS-232C.

Синхронний режим передачі передбачає постійну активність каналу зв'язку. Здійснення починається з сінхробайта, за яким щільно слід потік інформаційних бітів. Якщо у передавача немає даних для передачі, він заповнює паузу безперервної посилкою байтів синхронізації. При передачі великих масивів даних накладні витрати на синхронізацію в даному режимі необхідна буде нижче, ніж в асинхронному. Однак у синхронному режимі необхідна зовнішня синхронізація приймача з передавачем, оскільки навіть невелике відхилення частот призведе до швидко накопичується помилку і спотворення отриманих даних. Зовнішня синхронізація можлива або за допомогою окремої лінії передачі для передачі сигналу синхронізації, або з використанням самосинхронизирующийся кодування даних, при якому на приймальній стороні з прийнятого сигналу можуть бути і імпульси синхронізації. У будь-якому випадку синхронний режим вимагає або дорогих ліній зв'язку, або дорогого оконеченного обладнання. Для РС існують спеціальні плати - адаптери SDLC, підтримують синхронний режим обміну. Вони використовуються в основному для зв'язку з великими машинами IBM і в даний час мало поширені. З синхронних адаптерів в даний час найчастіше застосовуються адаптери інтерфейсу V.35.

Послідовний інтерфейс на фізичному рівні може мати різні реалізації, що розрізняються способом передачі електричних сигналів. Існує ряд родинних міжнародних стандартів: RS-232C, RS-432A, RS-422A, RS485.

Несиметричні лінії інтерфейсів RS-232C, RS-432A мають саму низьку захищеність від синфазної перешкоди. Кращі параметри має двоточковим інтерфейс

RS-422A і його магістральний (шинний) родич RS-485, що працюють на симетричних лініях зв'язку. У них для кожного сигналу використовуються диференціальні сигнали з окремою (мудреців) парою приводів.

Найбільшого поширення в РС отримав найпростіший з цих - стандарт RS-232C. У промисловій автоматиці широко застосовується RS - 422А, а також RS-485, що зустрічається і в деяких принтерах. Існують відносно нескладні перетворювачі сигналів для узгодження всіх цих інтерфейсів.

Інтерфейс RS-232C

Інтерфейс RS-232C призначений для підключення апаратури,

передавальною або дані (АПД-апаратура передачі даних), до кінцевої апаратурі каналів даних (АКД). У ролі АПД може виступати комп'ютер, принтер, плоттер і інші ПУ. Цією апаратурі відповідає абревіатура DTE-Data Terminal Equipment. У ролі АКД зазвичай виступає модем - DCE (Data Communication Equipment). Кінцевою метою підключення є з'єднання двох пристроїв DTE, повна схема з'єднання наведена на рис.2. Інтерфейс дозволяє виключати канал віддаленого зв'язку разом з парою пристроїв DTE, з'єднавши пристрої безпосередньо за допомогою нуль-модемного кабелю (рис.3).

Стандарт описує управляючі сигнали інтерфейсу, пересилання даних, електричний інтерфейс і типи роз'ємів. Стандарт описує синхронний і асинхронний режими обміну, але СОМ-порти підтримують тільки асинхронний режим. Функціонально RS-232C еквівалентний стандарту МККТТ V.24/V.28 і стику С2, але вони мають різні назви одних і тих же використовуваних сигналів.

Рис.1-Стандарт послідовного інтерфейсу.

Рис.2-Повна схема з'єднання по RS-232C.

Рис.3-З'єднання по RS-232C нуль-модемним кабелем.

Електричний інтерфейс

Стандарт RS-232C використовує несиметричні передавачі і приймачі - сигнал передається відносно загального проводу - схемної землі cімметрічние диференціальні сигнали використовуються в інших інтерфейсах - наприклад, RS-422). Інтерфейс НЕ забезпечують гальванічну розв'язку пристроїв. Логічною одиниці відповідає рівень напруги на вході приймача в діапазоні - 12 ... - 3 В. Для ліній керуючих сигналів цей стан називається ON ("включено"), для ліній послідовних даних називається MARK. Логічному нулю відповідає напруга в діапазоні +3 ... +12 В. Для ліній керуючих сигналів цей стан називається OFF ("вимкнено"), для ліній послідовних даних називається SPACE. Між рівнями - 3 ... +3 В є зона нечутливості, яка обумовлює гістерезис приймача: стан лінії буде вважатися зміненим тільки після перетину відповідного порога. Рівні сигналів на виходах передавачів повинні бути в діапазонах - 12 ... - 5 В і +5 ... +12 В для представлення одиниці і нуля відповідно. Різниця потенціалів між схемними землями (SG) з'єднуються пристроїв повинна бути менше 2 В, при більш високій різниці потенціалів можливо невірне сприйняття сигналів.

Інтерфейс передбачає наявність захисного заземлення для з'єднуються пристроїв, якщо вони обидва живляться від мережі змінного струму і мають мережеві фільтри.

Підключення та відключення інтерфейсних кабелів пристроїв з автономним живленням (не живляться від інтерфейсу, таких як, наприклад, миша) повинно проводитися при відключенні харчування. В іншому випадку різниця не вирівняних потенціалів пристроїв в момент комутації (приєднання або від'єднання роз'єму) може виявитися прикладеної до вихідних або вхідним (що небезпечніше) ланцюгах інтерфейсу і вивести з ладу мікросхеми.

Для інтерфейсу RS-232C спеціально випускаються буферні мікросхеми приймачів (з гістерезисом) і передавачів двополярного сигналу. При недотриманні правил заземлення та комутації включених пристроїв вони зазвичай є першими (добре, якщо єдиними) жертвами "піротехнічних" ефектів. Іноді їх встановлюють в "ліжечках", що сильно полегшує заміну. Часто буферні схеми входять прямо до складу інтерфейсних ВІС. Це здешевлює виріб, економить місце на платі, але в разі аварії зазвичай обертається великими фінансовими втратами. Вивести з ладу інтерфейсні мікросхеми замиканням сигнальних ланцюгів малоймовірно, оскільки струм короткого замикання передавачів звичайно обмежений на рівні 20 мА.

Стандарт RS-232C регламентує типи вживаних рознімів, що забезпечує високий рівень сумісності апаратури різних виробників.

На апаратурі DTE (в тому числі, і на СОМ-портах PC) прийнято встановлювати вилки, (male - "тато") DB25-P або більш компактний варіант --DB9-P.

Девятіштирьковие роз'єми не мають контактів для додаткових сигналів, необхідних для синхронного режиму (у більшості 25тирькових роз'ємів ці контакти не використовуються).

На апаратурі DCE (модеми) встановлюють розетки (female - "мама") DB25-S або DB-9S.

Це правило припускає, що роз'єми DCE можуть підключатися до роз'ємів DTE безпосередньо (якщо дозволяє геометрія конструктиву) або через перехідні "прямі" кабелі з розеткою і виделкою, у яких контакти cоедінени "один в один". Перехідні кабелі можуть бути і перехідниками з 9 на 25-Штиркові роз'єми.

Якщо апаратура DTE з'єднується без модемів, то роз'єми пристроїв (вилки) з'єднуються між собою нуль-модемним кабелем (Zero-modem або Z-modem), які мають на обох кінцях розетки, контакти яких з'єднуються перехресно.

Якщо на якомусь устрої DTE (принтер, плоттер, дигитайзер) встановлена ​​розетка - це майже стовідсотковий ознака того, що до іншого пристрою (комп'ютера) вона повинна підключатися прямим кабелем, аналогічним кабелю підключення модему. Розетка встановлюється зазвичай на тих пристроях, у яких віддалене підключення через модем не передбачено (або безглуздо, як, наприклад, у дигитайзера).

У табл.1 наведено призначення контактів роз'ємів СОМ-портів (і будь-який інший апаратури DTE). Призначення контактів роз'єму DB25S визначено стандартом EIA/TIA-232-Е, роз'єм DB9S визначений стандартом EIA / TIA-574.

У модемів (DCE) назву ланцюгів і призначення контактів, природно, збігається, але ролі сигналів (вхід-вихід) змінюються на протилежні.

Таблиця 1 - Роз'єми і сигнали інтерфейсу RS-232C

Підмножина сигналів RS-232C, що відносяться до асинхронному режиму, розглянемо з точки зору СОМ-порту PC, що є по термінології RS-232C терміналом даних (DTE). Слід пам'ятати, що активному станом сигналу ("включено") і логічної одиниці переданих даних відповідає негативний потенціал (нижче - 3 В) сигналу інтерфейсу, а стану "вимкнено" і логічному нулю - позитивний (вище +3 В). Призначення сигналів інтерфейсу наведено в табл.2.

Таблиця 2-Призначення сигналів інтерфейсу

Ресурси СОМ-портів

Починаючи з перших моделей в PC був послідовний інтерфейс - СОМ-порт (Communications Port - комунікаційний порт). Цей порт забезпечує асинхронний обмін по стандарту RS-232C. Комп'ютер може мати до чотирьох послідовних портів СОМ 1-COM4 (для машин класу AT типово наявність двох портів). СОМ-порти мають зовнішні роз'єми-вилки (Male "тато") DB25P або DB9P, виведені на задню панель комп'ютера (призначення висновків наведено у табл.1)

СОМ-порти реалізуються на мікросхемах UART, сумісних з сімейством 18250. Вони займають в просторі введення / виведення по 8 суміжних 8-бітних регістрів і можуть розташовуватися за стандартними базовими адресами 3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4). Для портів COM3 і COM4 можливі альтернативні адреси 3EOh, 338h і 2EOh, 238h відповідно. Для PS / 2 стандартними для портів СОМЗ-СОМ8 є адреси 3220h, 3228h, 4220h, 4228h, 5220h і 5228h відповідно.

Порти можуть виробляти апаратні переривання IRQ4 (зазвичай використовуються для COM1 і COM3) і IRQ3 (для COM2 і COM4). Крім того, можливе використання ліній переривань IRQ11 (замість IRQ4) і IRQ10 (замість IRQ3). Можливість розділяється використання однієї лінії запиту кількома портами (або її розділення з іншими пристроями) залежить від реалізації апаратного підключення і програмного забезпечення. При використанні портів, встановлених на шину ISA, колективні переривання зазвичай не працюють.

Конфігурування СОМ-портів

Управління послідовним портом розділяється на два етапи - попереднє конфігурування (Setup) апаратних засобів порту і поточне (оперативне) перемикання режимів роботи прикладним або системним ПО. Спосіб і можливості конфігурації СОМ-портів залежать від його виконання і місцеположення. Порт, розташований на платі розширення (звичайно на Мультикарта), яка встановлюється в слот ISA або ISA + VLB, звичайно конфігурується джамперами на самій платі. Порт, розташований на системній платі, звичайно конфігурується через BIOS Setup.

Конфігуруванню підлягають наступні параметри:

* Базовий адресу, яка може мати значення 3F8h, 2F8h, 3E8h (3EOh, 338h), 2E8h (2EOh, 238h). При ініціалізації BIOS перевіряє наявність портів за адресами саме в цьому порядку і, відповідно, привласнює виявленим портам логічні імена СОМ1, COM2, COM3 і COM4.

* Використовувана лінія запиту переривання: для СОМ1 і COM3 зазвичай використовується IRQ4 або IRQ11, для COM2 і COM4 - IRQ3 або IRQ10. У принципі номер переривання можна призначати в довільних поєднаннях з базовою адресою (номером порту), але деякі програми та драйвери (наприклад, драйвери послідовної миші) налаштовані тільки на стандартні сполучення. Кожному порту, який потребує апаратній перериванні, зазвичай призначають окрему лінію, не збігається з лініями запиту переривань інших портів або пристроїв. Поділюване використання ліній переривання адаптерів шин ISA проблематично. Переривання необхідні для портів, до яких підключаються пристрої введення (миша, дигитайзер), UPS і модеми. При підключенні принтера або плоттера перериваннями користуються тільки багатозадачні ОС (і то не завжди), і цей дефіцитний ресурс PC можна заощадити. Також перериваннями зазвичай не користуються і при зв'язку двох комп'ютерів нуль-модемним кабелем.

* Використання каналу DMA (для UART 16450 або 16550, розташованих на системній платі) - дозвіл використання і номер каналу DMA. Режим DMA при роботі з СОМ-портами використовують рідко, тому в більшості випадків канали DMA порту не призначають.

Режим роботи порту за замовчуванням (2400 біт / с, 7 біт даних, 1 стоп-біт і контроль парності), заданий при ініціалізації порту під час BIOS POST, може змінюватися в будь-який момент при налаштуванні комунікаційних програм або командою DOS MODE COMx: з зазначенням параметрів.

Використання СОМ-портів

Всупереч назві, СОМ-порти найчастіше використовують для підключення маніпуляторів (миша, трекбол). У цьому випадку порт використовується в режимі послідовного введення, забезпечуючи живлення пристрою від інтерфейсу. Миша може підключатися до будь-якого справного порту, для узгодження роз'ємів порту і миші можливе застосування перехідника DB9S-DB25P або, навпаки, DB25S-DB9P. Для роботи з мишею обов'язково потрібне використання лінії переривання, причому для порту СОМ1 - IRQ4, а для COM2 - IRQ3.

Наступним за популярністю йде підключення зовнішніх модемів для зв'язку з віддаленими комп'ютерами або виходу в глобальні мережі. Модеми повинні підключатися повним (9-проводовим) кабелем DTE-DCE. Цей же кабель може використовуватися і для узгодження роз'ємів (по кількості контактів), можливо і застосування перехідників 9-25, призначених для мишей. Для роботи комунікаційного ПО зазвичай потрібне використання переривань, але тут, як правило, більше свободи вибору сполучень номера (адреси) порту і номери лінії переривання. Якщо передбачається робота на швидкостях 9600 біт / с і вище, то СОМ-порт повинен бути реалізований на мікросхемі UART 16550A або сумісної з нею. Можливості роботи з використанням FIFO-буферів і обміну по каналах DMA залежать від комунікаційного ПЗ.

Для зв'язку двох комп'ютерів, віддалених один від одного на невелику відстань, використовують і безпосереднє з'єднання їх СОМ-портів нуль-модемним кабелем. Використання програм типу Norton Commander або Interink MS-DOS дозволяє обмінюватися файлами зі швидкістю передачі до 115,2 Кбіт / с без використання апаратних переривань. Це ж з'єднання може використовуватися і мережевим пакетом Lantastic, що надають більш розвинений сервіс.

Підключення принтерів і плотерів до СОМ-порту вимагає застосування кабелю, відповідного обраному протоколу управління потоком: програмного XON / XOFF чи апаратному RTS / CTS. Апаратний протокол краще, оскільки він не вимагає програмної підтримки з боку PC. Переривання при виведенні засобами DOS (командами COPY або PRINT) не використовуються.

СОМ-порт іноді використовується і для підключення електронних ключів (Security Devices), призначених для захисту від неліцензійного використання програмних продуктів. Ці пристрої можуть бути як "прозорими", дозволяючи скористатися тим же портом і для підключення периферії, так і повністю займають порт.

СОМ-порт при наявності відповідної програмної підтримки дозволяє перетворити PC в термінал, емулюючи систему команд поширених спеціалізованих терміналів (VT-52, VT-100 та інших). У принципі найпростіший термінал виходить, якщо замкнути один на одного функції BIOS обслуговування СОМ-порту (Int 14h), функцію текстового виводу відеосервісу (Int 10h) і клавіатурний ввід (Int 16h). Однак такий термінал буде працювати лише на малих швидкостях обміну (якщо, звичайно, його робити не на Pentium), оскільки функції BIOS хоч і універсальні, але працюють не найшвидшим чином.

Цим списком, звичайно ж, можливості використання СОМ-порту не вичерпуються. Інтерфейс RS-232C широко поширений в різних периферійних пристроях і терміналах. Всі вони, за наявності належної програмної підтримки, можуть підключатися до PC. Крім використання за прямим призначенням, СОМ-порт може використовуватися і як двонаправлений інтерфейс, у якого є 3 програмно-керованих вихідних лінії 4 програмно-читаних вхідних лінії з двополярний сигналами. Можливість їх використання обмежується тільки фантазією розробника. Існує, наприклад, схема однобітного широтно-імпульсного перетворювача, що дозволяє записувати звуковий сигнал на диск PC, використовуючи вхідну лінію СОМ-порту. Відтворення цього запису через звичайний динамік забезпечує розбірливість мовлення. Звичайно, в даний час, коли звукова карта стала майже обов'язковим пристроєм PC, це вже не вражає, але свого часу таке рішення було досить цікавим

Програмування COM-портів

Порт 3F8h.

Цей порт відповідає регістру переданих даних. Для передачі в порт 3F8h необхідно записати байт переданих даних.

Після прийому даних від зовнішнього пристрою вони можуть бути прочитані з цього порту. Залежно від стану біта керуючого слова, виведеного в керуючий регістр з адресою 3F8h, призначення порту 3F8h змінюватися. Якщо цей біт дорівнює 0, порт використовується для запису даних для передачі. Якщо ж цей біт дорівнює 1, порт використовується для виведення значення молодшого байта дільника частоти тактового генератора. Змінюючи вміст ділите - ля, можна змінювати швидкість передачі даних.

Старший байт дільника записується в порт 3F9h. Залежність швидкості передачі даних від значення дільника частоти наведені в таблиці 1:

Таблиця 1.

Порт 3F9h.

Порт використовується як регістр управління перериваннями від асинхронного адаптера або (після виводу в порт 3F9h байти з встановленим в 1 старшим бітом) для виведення значення старшого байта дільника частоти тактового генератора. У режимі регістру управління переривань порт має наступний формат.

Таблиця 2.

Порт 3FAh.

Регістр ідентифікації переривання. За його вмісту програма може визначити причину переривання. Формат регістра наведено в таблиці 3.

Таблиця 3.

Порт 3FBh.

Керуючий регістр, доступний по запису та читання. Його формат показано в таблиці 4.

Таблиця 4.

Порт 3FCh.

Регістр управління модемом.

Управляє станом вихідних ліній DTR, RTS, ліній, специфічних для модемів OUT1 і OUT2, для запуску діагностики при вході асинхронного адаптера, замкнутим на його вихід. Формат порту наведено в таблиці 5.

Таблиця 5.

Порт 3FDh.

Регістр стан лінії. Значення зарядів регістру наведені в таблиці 6.

Таблиця 6.

Порт 3FEh.

Регістр стану модему. Значення бітів вказані в таблиці 7.

Таблиця 7.

Прийом і передача даних.

Перед записом байта даних у регістр передавача потрібно переконатися, що регістр зберігання передавача вільний, тобто пересвідчитися в тому, що передача попереднього символу завершена. Ознакою свободи регістру передавача є встановлений в 1 біт 5 регістра стану лінії з адресою 3FDh.

Аналогічно передачі даних перед введенням символу з порту приймача 3F8h слід переконатися, що біт 0 порту 3FDh встановлено у 1, тобто що символ прийнятий з лінії і перебувати в буферному регістрі приймача.