6.5. Последовательная передача данных

Последовательная передача данных представляет собой реали­зацию трех последовательных процессов: преобразования парал­лельных данных источника информации в последовательный фор­мат, передачи последовательной посылки по каналу связи и пос­ледующего преобразования приемником принятой посылки в па­раллельный формат. Под каналом передачи данных здесь и далее понимается физическая аппаратура связи (физический интерфейс) и протокол обмена данными. Последовательная передача характе­ризуется более низкой скоростью передачи, чем параллельная. Однако она обеспечивает связь на большие расстояния, и для ее реализации требуется меньшее число линий в физическом канале связи, что снижает стоимость. Вместо (3 – 5) м при параллельных обменах при последовательной передаче обеспечивается надеж­ная связь на расстояния более 15 м.

При передаче цифровой информации по последовательному каналу связи она кодируется. Значения двоичных разрядов пере­даваемых данных в большинстве случаев представляются двумя уровнями напряжений. Двоичные разряды передаются в линию последовательно один за другим.

При организации последовательной связи на расстояния до 50 м приемник и передатчик можно соединить друг с другом с помо­щью двух пар линий связи: по одной осуществляется передача информации от источника к приемнику, а по другой — обратная передача. При значительном удалении передатчика и приемника подобный способ организации последовательного обмена оказы­вается экономически дорогим. Более того, из-за искажающего влияния помех непосредственная передача логических сигналов (абсолютных уровней напряжений) по длинным линиям связи вообще невозможна. Поэтому для передачи на большие расстоя­ния используют промежуточное частотное преобразование инфор­мационных сигналов. Такое преобразование осуществляется с по­мощью модемов. (Модуляция — это способ наложения перемен­ного сигнала на другой сигнал постоянной несущей частоты). Модем на передающей стороне преобразует цифровой код после­довательной посылки в колебания соответствующей звуковой ча­стоты и передает этот сигнал по двухпроводной линии связи. На­пример, логическая «1» преобразуется в сигнал 1270 Гц, а логи­ческий «0» - в 1070 Гц. На приемной стороне с помощью прини­мающего модема выполняется обратное преобразование частот­ного сигнала в последовательный информационный сигнал, ко­торый непосредственно обрабатывается получателем. Передачу информации в обратном направлении можно осуществлять, ис­пользуя ту же линию связи, но в другом частотном диапазоне, например, преобразуя логическую «1» в сигнал 2225 Гц, а логи­ческий «0» - в 2025 Гц. Таким образом, при использовании моде­мов достаточно всего одного канала связи, в частности обычной телефонной линии, для обмена информацией в обоих направлениях. Отмеченная особенность является важным достоинством способа последовательной передачи, так как позволяет использо­вать существующие системы связи для обмена информацией меж­ду удаленными устройствами. Скорость обмена информацией, при которой модем обеспечивает надежные передачу и прием, огра­ничивается возможностями телефонной линии связи, полоса про­пускания которой составляет от 300 Гц до 3 КГц.

Для преобразования параллельных данных в последователь­ные при передаче и обратного преобразования при приеме раз­работаны специальные устройства, называемые последователь­ными портами - Serial Port (SP). Фактически последовательный порт выполняет функции адаптера, с помощью которого канал последовательной связи подключается к n-разрядной системной шине компьютера или другого устройства обработки данных.

В общем случае для организации последовательного обмена требуются два последовательных порта, которые должны быть установлены на входе и выходе последовательного канала. При пе­редаче данных последовательный порт на передающей стороне преобразует параллельный код данных в последовательность дво­ичных символов. Принимающий последовательный порт выпол­няет обратное преобразование последовательного кода в парал­лельный. Различают два основных способа передачи последова­тельных данных: асинхронный и синхронный.

В режиме асинхронной передачи источник и получатель дан­ных не имеют общей синхронизации: синхронизация приемника и передатчика осуществляется от разных физических генераторов, которые должны быть настроены на близкие, в идеале одинако­вые, частоты. Проблему синхронизации при асинхронном обмене решают ограничением длительности передаваемых посылок дан­ных и использованием стандартных частот работы приемопередающих схем. В этом режиме процессор посылает и принимает от­дельные байты информации, при этом канал работает асинхрон­но как в отношении передаваемых слов, так и в отношении от­дельных битов. При асинхронной передаче последовательность двоичных символов данных дополняется служебной информаци­ей, которая используется для синхронизации асинхронно работа­ющих приемника и передатчика, а также контроля обмена. Каждая информационная посылка обрамляется стартовым и стоповыми битами, которые передаются вместе с битами данных (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Вид информационной посылки при асинхронной передаче

Пока по каналу нет передачи, он находится в состоянии логиче­ской «1» (стоповому биту, завершающему передачу слова, также соответствует значение логической «1»). Передача данных всегда начинается со стартового бита (сигнала логического «0»). Переход из «1» в «0», соответствующий началу стартового бита, может быть распознан приемником как признак начала слова. Передний фронт стартового бита используется для внутренней (принудительной) синхронизации приемника, благодаря чему обеспечивается пра­вильное определение моментов поступления отдельных битов при­нимаемого слова. При правильной синхронизации значение при­нимаемого бита должно опрашиваться приемником в средине вре­менного интервала, где искажения импульсов наименее влияют на величину считываемого уровня. После стартового бита следуют информационные биты в виде последовательности «0» и «1» (сиг­налов высокого и низкого уровня). В большинстве случаев число информационных бит в посылке равно 8. Далее в последователь­ной посылке может следовать контрольный бит, используемый для обнаружения ошибок. Его значение определяется содержи­мым передаваемого байта и тем, какой из двух режимов контроля установлен - контроль четности или контроль нечетности. Завер­шает передачу столовый бит. Длительность стопового бита, опре­деляющая временной интервал между отдельными передаваемы­ми словами, ограничений сверху не имеет. Минимальная длитель­ность стопового бита в современных протоколах связи обычно программируется и не может быть меньше длительности 1, 1,5 или 2 периода трансляции одного бита. Передатчик может повто­рять стоп-бит до тех пор, пока приемник не будет готов получить следующий байт данных.

Заметим, что вычислительное устройство (как источник, так и приемник цифровых данных) оперируют только данными и не имеют никакого отношения к служебным сигналам, передава­емым в информационной посылке. Последовательный порт на пе­редающей стороне при передаче дополняет информационную по­сылку необходимыми служебными сигналами, а последователь­ный порт на приемной стороне после обработки удаляет их и пе­редает цифровому приемнику только данные. Асинхронная пере­дача данных отличается гибкостью, она не требует задания жест­ких моментов времени посылки очередных блоков данных.

При синхронных обменах прием и передача информационных бит сопровождается передачей специальных синхронизирующих импульсов по дополнительной линии связи. И источник, и при­емник интерпретируют один и тот же синхроимпульс как указа­ние на наличие в канале очередного бита. Передатчик, договорившись с приемником о параметрах связи, пересылает данные сплош­ным потоком без всякого разделения на блоки (байты). Синхрон­ная передача отличается высокой скоростью, но хуже защищена от помех. Она широко применяется при обменах данными между блоками обработки данных и внешними периферийными устрой­ствами на расстояния от нескольких сантиметров до нескольких метров, требуя минимального физического интерфейса.

Наиболее распространенным стандартом последовательной свя­зи является стандарт RS-232C.