Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Перед тем как обсуждать UART, рассмотрим подробнее, как, собственно, происходит обмен. Стандарт RS-232 — один из самых первых протоколов передачи данных между устройствами, он был утвержден еще в 1969 году, и к компьютерам (тем более ПК) тогда еще не имел никакого отношения. Идея этого интерфейса заключается в передаче целого байта по одному проводу в виде последовательных импульсов, каждый из которых может быть «0» или «1». Если в определенные моменты времени считывать состояние линии, то можно восстановить то, что было послано.

Однако эта простая идея натыкается на определенные трудности. Для приемника и передатчика, связанных между собой тремя проводами («земля» и два сигнальных провода «туда» и «обратно»), приходится задавать скорость передачи и приема, которая должна быть одинакова для устройств на обеих концах линии. Эти скорости стандартизированы, и выбираются из ряда 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 56000, 57600, 115200, 128000, 256000 (более медленные скорости я опустил). Число это обозначает количество передаваемых/принимаемых бит в секунду. Отметим, что стандарт RS-232E устанавливает максимальную скорость передачи 115200, однако функции Windows позволяют установить и более высокую скорость. Но не все схемы преобразования уровней могут пропустить через себя такие сигналы, и это следует учитывать при проектировании.

Проблема состоит в том, что приемник и передатчик — это физически совершенно разные системы, и скорости эти для них не могут быть строго одинаковыми в принципе (из-за разброса параметров тактовых генераторов), и даже если их каким-то образом синхронизировать в начальный момент, то они в любом случае быстро «разъедутся».

Заметки на полях

Такая же идея лежит в основе всех последовательных интерфейсов, они различаются только способами синхронизации. Например, в интерфейсе SPI, в том числе в его варианте для программирования МК, синхронизирующие импульсы передаются по отдельной, специально выделенной линии. Это облегчает задачу синхронизации, но требует большего количества проводов (не менее четырех, включая «землю»). А модемы или, к примеру, устройства Ethernet могут работать вообще всего по двум проводам, благодаря довольно сложному протоколу. Интерфейсы UART и 1C, которые мы будем изучать, требуют трехпроводного соединения (включая «землю»), однако различаются по назначению линий.

В RS-232 передача каждого байта всегда сопровождается начальным (стартовым) битом, который служит для синхронизации. После него идут восемь (или девять — при проверке на четность) информационных битов, а затем стоповые биты, которых может быть один, два и более, но это уже не имеет принципиального значения (почему — мы сейчас увидим).

Общая диаграмма передачи таких последовательностей показана на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Диаграмма передачи данных по последовательному интерфейсу RS-232в формате 8n2

Хитрость заключается в том, что состояния линии передачи, соответствующие стартовому и стоповому битам, имеют разные уровни: стартовый бит передается положительным уровнем напряжения (логическим нулем), а столовый — отрицательным уровнем (логической единицей), потому фронт стартового бита всегда однозначно распознается.

Подробности

Подавляющую часть времени линия находится в состоянии ожидания, т. е. имеет уровень логической единицы (отрицательный — этим фактом мы воспользуемся в главе 18 для создания простейшего преобразователя уровней.) Потому выбор уровней стартового и стопового бита не был полностью произвольным: такая комбинация уровней имеет большой смысл со схемотехнической точки зрения. Во-первых, в качестве преобразователя уровня удобно использовать транзистор, который инвертирует сигнал, и тогда специально об этом думать не приходится. Во-вторых, со стороны UART, где логика обратная, столовый бит должен иметь высокий уровень, что соответствует состоянию запертого транзистора «с открытым коллектором» (или «с открытым истоком»). Так как большую часть времени этот выходной транзистор оказывается выключен, то вывод не потребляет тока.

В момент передачи стартового бита и происходит синхронизация. Приемник отсчитывает время от фронта стартового бита, равное примерно половине периода заданной частоты обмена (чтобы попасть в середину стартового бита), и три раза подряд проверяет состояние линии (оно должно быть логическим нулем). Если все три состояния совпали, то принимается решение, что действительно пришел стартовый бит. Тогда восемь (или девять, если это задано заранее) раз подряд с заданным периодом регистрируется состояние линии (т. н. процедура восстановления данных ). После этого линия переходит в состояние стопового бита и может в нем пребывать сколь угодно долго, пока не придет следующий стартовый бит.