1.12. Последовательный интерфейс
Многие устройства ввода/вывода обмениваются информацией с компьютером последовательно по одному биту, причем каждый бит занимает определенный временной интервал. Единица информации (элемент данных) при последовательном обмене называется символом. Символ может содержать от 5 до 8 информационных бит. Скорость передачи информации измеряется в бодах (в честь французского изобретателя телеграфного аппарата Жана Бодо):
1 бод = 1 бит/с.
Иногда под бодом понимают количество передаваемых символов в секунду.
Достоинства последовательного интерфейса:
относительная дешевизна ввиду малого количества проводников;
высокая помехозащищенность за счет использования высоких уровней напряжения (тока);
большое расстояние между передатчиком и приемником.
Недостатки:
низкая производительность;
относительно сложная интерпретация передаваемых данных.
Последовательная система передачи информации может быть симплексной, полудуплексной или дуплексной. В первом случае данные передаются только в одну сторону (от передатчика к приемнику), во втором - в обе, но с разделением во времени, а в третьем - в обоих направлениях одновременно.
Рис. 12.1
Типичная конфигурация дуплексного последовательного интерфейса показана на рис. 12.1. Регистр состояния содержит информацию о состоянии текущей передачи (например, об ошибках), а регистр управления хранит информацию о режиме работы интерфейса. Буферный регистр входных данных подключен к регистру сдвига с последовательным входом и параллельным выходом. В операции ввода биты по одному подаются в регистр сдвига, а после приема символа информация передается в буферный регистр входных данных и ожидает ввода в микропроцессор. Буферный регистр выходных данных аналогично подключен к регистру сдвига с параллельным входом и последовательным выходом. Вывод осуществляется выдачей данных в буфер выходных данных, передачей их в регистр сдвига и последующим сдвигом данных на последовательную выходную линию.
Различают два основных вида последовательного обмена: асинхронный и синхронный.
1.12.1. Асинхронный обмен
В асинхронном режиме последовательного обмена информацией каждый символ передается автономно, а передача может быть начата в любой момент битом паритета (битом четности/нечетности) и одним, полутора и двумя стоповыми битами. Полученная таким образом посылка информации называется кадром.
Пример временной диаграммы передачи 6-битного символа по асинхронному интерфейсу с битом паритета и двумя стоповыми битами представлен на рис. 12.2.
В режиме ожидания передачи символа приемник отслеживает состояние линии, которая находится под высоким потенциалом, соответствующим логической единице. Спад сигнала на линии считается предполагаемым началом стартового бита. Достоверность этого события проверяется через промежуток времени, равный половине периода передачи битов символа - T/2. Если в этот момент на линии низкий уровень сигнала, то передача символа считается начатой и приемник приступает к опросу состояния линии в центрах битовых посылок с периодом T, начиная с середины стартового бита. Иначе считается, что спад сигнала был вызван помехой на линии и приемник возвращается в режим ожидания нового символа.
Рис. 12.2
Биты символа следуют после стартового, начиная с младшего D0. После символа располагается необязательный бит паритета, применяемый для простейшего контроля правильности принятого символа. Если в конкретной реализации асинхронного обмена бит паритета используется, то передатчик в зависимости от соглашения устанавливает значение бита паритета таким образом, чтобы суммарное количество единиц в символе вместе с битом паритета было четным или нечетным. Приемник подсчитывает суммарное количество единиц в принятом символе и бите паритета и, если оно соответствует принятому соглашению, считает символ верным. Иначе в регистре состояния приемника возникает ошибка паритета.
Для отделения одного кадра от другого за передаваемым символом или необязательным битом паритета следуют стоповые биты, число которых также зависит от соглашения. После приема последнего стопового бита приемник вновь переходит в режим ожидания очередного символа.
Важно отметить, что микропроцессор не выдает и не принимает стартовый и стоповый биты, а также бит паритета. При обмене информацией передатчик вводит эти биты в каждый символ, а приемник удаляет их из принятых данных.
Для успешного обмена необходимо выполнить следующие условия:
формат кадра должен быть согласован у приемника и передатчика, которые настраиваются на символ одной и той же длины, одинаково интерпретируют бит паритета, если он есть, настраиваются на одинаковое количество стоповых битов;
частота битовых посылок и их фаза должна быть одинаковой с точки зрения приемника и передатчика.
Обеспечение выполнения первого условия достаточно просто достигается при проектировании и согласованном программировании интерфейса. Выполнить второе условие несколько сложнее из-за удаленности приемника и передатчика друг от друга. Они имеют разные генераторы синхроимпульсов с кварцевыми резонаторами, что позволяет получить стабильные и близкие частоты синхронизации приемника и передатчика. Близость фаз битовых посылок с точки зрения приемника и передатчика достигается за счет того, что частота синхроимпульсов многократно превосходит частоту битовых посылок (типичная кратность 1:16 или 1:64). В результате несовпадение фаз не превышает длительности одного синхроимпульса.
Нетрудно видеть, что скорость передачи составляет 1/T бод. Серьезный недостаток асинхронного обмена - большое количество служебных бит, снижающее эффективную скорость передачи. Например, если кадр состоит из пятибитового символа и четырех служебных бит, то непроизводительное использование линии составит (4/(5 + 4)) х 100 % « 44 %, не считая возможных промежутков между символами. Поэтому асинхронный режим применяется в низкопроизводительных линиях с нерегулярным обменом.