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
|
Обозначение цепи |
Контакт разъема |
№ провода кабеля выносного разъема PC |
Направление |
||||||
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
|
Назначение |
|
|
Protected Ground - защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля |
|
|
Signal Ground - сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов |
|
|
Transmit Data - последовательные данные - выход передатчика |
|
|
Receive Data - последовательные данные - вход приемника |
|
|
Request To Send - выход запроса передачи данных: состояние “включено” уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением - состояние “включено” служит сигналом модему на переключение в режим передачи |
|
|
Clear To Send - вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние “выключено” запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных |
|
|
Data Set Ready - вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала) |
|
|
Data Terminal Ready - выход сигнала готовности терминала к обмену данными. Состояние “включено” поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения |
|
|
Data Carrier Detected - вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема |
|
|
Ring Indicator - вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова |
Рис. 6. Последовательность управляющих сигналов интерфейса
- Установкой DTR компьютер указывает на желание использовать модем.
- Установкой DSR модем сигнализирует о своей готовности и установлении соединения.
- Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.
- Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от компьютера и передаче их в линию.
- Снятием CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (например, буфер заполнен) - компьютер должен приостановить передачу данных.
- Сигналом CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).
- 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.
- Модем подтверждает снятие RTS сбросом CTS.
- Компьютер повторно устанавливает RTS для возобновления передачи.
- Модем подтверждает готовность к этим действиям.
- Компьютер указывает на завершение обмена.
- Модем отвечает подтверждением.
- Компьютер снимает DTR, что обычно является сигналом на разрыв соединения (“повесить трубку”).
- 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.
Последовательный интерфейс RS-232 — это промышленный стандарт для последовательной двунаправленной асинхронной передачи данных. Ранее использовался в персональных компьютерах для подключения принтеров, модемов, мыши и пр. В настоящее время активно вытесняется пришедшим ему на смену интерфейсом USB, однако в микроконтроллерных системах — это один из наиболее часто встречающихся интерфейсов.
Спецификации RS-232C не огpаничивают максимальнyю длинy кабеля, но огpаничивают максимальное значение его емкости величиной 2500 пф. Емкость интеpфейсных кабелей pазлична, однако общепpинятой длиной yдовлетвоpяющей данной спецификации считается длина 15 метров (до 20000 бод) Чем выше скоpость пеpедачи, тем больше искажения сигнала, вызванные емкостными хаpактеpистиками кабеля.
Выпyскаются специальные интеpфейсные кабели пpямой связи RS-232C низкой емкости, котоpые yдовлетвоpительно pаботают со скоpостью 9600 бод на pасстоянии до 150 м.
Число подключаемых пpиемников и пеpедатчиков подключаемых к одной линии — 1/1, (в отличие от стандаpтов RS-422 1 передатчик/ 10 пpиемников или RS-485 32/32).
В отличие от параллельного порта, состоящего из восьми информационных линий и за один так передающего байт, порт RS-232 требует наличия только одной такой линии, по которой последовательно передается бит за битом. Это позволяет сократить количество информационных линий для передачи данных между устройствами, но уменьшает скорость.
Последовательная передача данных
Последовательный поток данных состоит из битов синхронизации и собственно битов данных. Формат последовательных данных содержит четыре части: стартовый бит, биты данных (5-8 бит), проверочный и стоповый биты; вся эта конструкция иногда называется символом . На рисунке изображен типичный формат последовательных данных.
Формат последовательных данных, формируемых UART
Когда данные не передаются, на линии устанавливается уровень логической единицы. Это называется режимом ожидания . Начало режима передачи данных характеризуется передачей уровня логического нуля длительностью в одну элементарную посылку. Такой бит называется стартовым . Биты данных посылаются последовательно, причем младший бит — первым; всего их может быть от пяти до восьми. За битами данных следует проверочный бит, предназначенный для обнаружения ошибок, которые возникают во время обмена данными. Последней передается стоповая посылка, информирующая об окончании символа. Стоповый бит передается уровнем логической единицы. Длительность стоповой посылки — 1, 1.5 или 2 тактовых интервала. Электронное устройство, которое генерирует и принимает последовательные данные, называется универсальным асинхронным приемопередатчиком (Universal Asynchronous Receiver Transmitter, или UART).
Обмен информацией с помощью UART происходит следующим образом:
- приемник обнаруживает первый фронт стартового бита и выжидает один или полтора тактовых интервала, поскольку считывание должно начаться точно в середине первой посылки;
- через один тактовый интервал считывается второй бит данных, причем это происходит точно в середине второй посылки;
- после окончания информационного обмена приемник считывает проверочный бит для обнаружения ошибок и стоповый бит;
- приемник переходит в режим ожидания следующей порции данных.
Скорость передачи информации в последовательном интерфейсе измеряется в бодах (бод — количество передаваемых битов за 1 секунду). Стандартные скорости равны 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бод и т.д. Зная скорость в бодах, можно вычислить число передаваемых символов в секунду. Например, если имеется восемь бит данных без проверки на четность и один стоповый бит, то общая длина последовательности, включая стартовый бит, равна 10. Скорость передачи символов соответствует скорости в бодах, деленной на 10. Таким образом, при скорости 9600 бод (см.рисунок выше) будет передаваться 960 символов в секунду.
Проверочный бит предназначен для обнаружения ошибок в передаваемых битах данных. Когда он присутствует, осуществляется проверка на четность или нечетность. Если интерфейс настроен на проверку по четности, такой бит будет выставляться в единицу при нечетном количестве единиц в битах данных, и наоборот. Это простейший пособ проверки на наличие одиночных ошибок в передаваемом блоке данных. Однако, если во время передачи искажению подверглись несколько битов, подобная ошибка не обнаруживается. Проверочный бит генерируется передающим UART таким образом, чтобы общее количество удиниц было нечетным или четным числом в зависимости от настройки интерфейса; приемное устройство должно иметь такую же настройку. Приемный UART считает количество единиц в принятых данных. Если данные не проходят проверку, генерируется сигнал ошибки.
В UART применяются уровни напряжения ТТЛ. Для передачи данных по каналу связи напряжение с помощью специализированных преобразователей конвертируется с инверсией: логическому нулю соответствует диапазон напряжений от +3 до +12В, логической единице — от -3 до -12В.
Разъемы RS-232 и соединение устройств
Основными разъемами, применяемыми с портом RS-232 являются DB-9S и DB-25S. На рисунке показана распиновка разъема DB-9.
Номера пинов 9-контактного разъема
а в таблице показано соответсвие сигналов контактам RS-232 для 9-ти и 25-ти контактных разъемов и их функции на компьютере
| 25 контактов | 9 контактов | Наименование | Направление | Описание |
| 1 | PROT | Защитное заземление | ||
| 2 | 3 | TD | Выход | Передаваемые данные |
| 3 | 2 | RD | Вход | Принимаемые данные |
| 4 | 7 | RTS | Выход | Запрос на передачу |
| 5 | 8 | CTS | Вход | Очищен для передачи |
| 6 | 6 | DSR | Вход | Готовность внешнего устройства |
| 7 | 5 | GND | Сигнальное заземление | |
| 8 | 1 | DCD | Вход | Обнаружение информационного сигнала |
| 20 | 4 | DTR | Выход | Готовность к обмену данными |
| 22 | 9 | RI | Вход | Индикатор звонка |
| 23 | DSRD | Вход/Выход | Детектор скорости передачи данных |
Соединение между компьютером и внешним устройством по протоколу RS-232 производится, как правило, используя, так называемое, нуль-модемное соединение . Возможно также соединение, использующее только три линии: первая для передачи данных, вторая — для приема и третья — в качестве общего проводника. Соединение организуется таким образом, что передаваемые данные от первого устройства поступают на приемную линию второго.
Соединение устройств по протоколу RS-232
В системах с используется второй тип соединения.
Назначение сигналов
| Сигнал | Назначение |
| PROT | Защитное заземление. Соединяется с металлическим экраном кабеля и корпусом оборудования |
| GND | Линия заземления. Общий провод для всех сигналов |
| TD | Передаваемые данные. Последовательные данные передаются компьютером по этой линии |
| RD | Принимаемые данные. Последовательные данные принимаются компьютером по этой линии |
| RTS | Запрос на передачу. Линия взаимодействия, которая показывает, что компьютер готов к приему данных. Линия управляется со стороны компьютера; если взамодействия не требуется, она может использоваться как двоичный выход |
| CTS | Готовность к передаче. Линия взаимодействия, с помощью которой внешнее устройство сообщает компьютеру, что оно готово к передаче данных. Если взаимодействия не требуется, она может использоваться как двоичный вход |
| DTR | Компьютер готов. Линия взаимодействия показывает, что компьютер включен и готов к связи. Линия управляется со стороны компьютера; если взаимодействия не требуется, она может использоваться как двоичный выход |
| DSR | Готовность внешнего устройства. Линия взаимодействия, с помощью которой внешнее устройство сообщает компьютеру, что оно включено и готово к связи. Если взаимодействия не требуется, она может использоваться как двоичный вход |
При вычислении последовательный порт представляет собой последовательный интерфейс связи, через который информация передается или выдается за раз. На протяжении большей части истории персональных компьютеров данные передавались через последовательные порты на устройства, такие как модемы, терминалы и различные периферийные устройства.
Хотя такие интерфейсы, как Ethernet, FireWire и USB, все отправляют данные в виде последовательного потока, термин «последовательный порт» обычно идентифицирует аппаратное обеспечение, более или менее совместимое со стандартом RS-232, предназначенное для взаимодействия с модемом или с аналогичной связью Устройства.
Современные компьютеры без последовательных портов могут потребовать конвертеры с последовательным интерфейсом, чтобы обеспечить совместимость с последовательными устройствами RS-232. Серийные порты все еще используются в таких приложениях, как системы промышленной автоматизации, научные приборы, системы продаж и некоторые промышленные и потребительские товары. Серверные компьютеры могут использовать последовательный порт в качестве консоли управления или диагностики. Сетевое оборудование (например, маршрутизаторы и коммутаторы) часто используют последовательную консоль для конфигурации. Серийные порты по-прежнему используются в этих областях, поскольку они просты, дешевы, а их консольные функции высоко стандартизированы и широко распространены.
Распиновка COM порта(RS232)
Существует 2-е разновидности com порта, 25-и пиновый старый разъем и сменившей его более новый 9-и пиновый разъем.
Ниже приведена схема типового стандартного 9-контактного разъема RS232 с разъемами, этот тип разъема также называется разъемом DB9.
- Обнаружение несущей(DCD).
- Получение данных(RXD).
- Передача данных(TXD).
- Готовность к обмену со стороны приемника(DTR).
- Земля(GND).
- Готовность к обмену со стороны источника(DSR).
- Запрос на передачу(RTS).
- Готовность к передаче(CTS).
- Сигнал вызова(RI).
RJ-45 к DB-9 Информация о выводе адаптера последовательного порта для коммутатора
Консольный порт представляет собой последовательный интерфейс RS-232, который использует разъём RJ-45 для подключения к управляющему устройству, например ПК или ноутбуку. Если на вашем ноутбуке или ПК нет штыря разъема DB-9, и вы хотите подключить ноутбук или ПК к коммутатору, используйте комбинацию адаптера RJ-45 и DB-9.
| DB-9 | RJ-45 | ||
|---|---|---|---|
| Получение Данных | 2 | 3 | |
| Передача данных | 3 | 6 | |
| Готовность обмену | 4 | 7 | |
| Земля | 5 | 5 | |
| Земля | 5 | 4 | |
| Готовность обмену | 6 | 2 | |
| Запрос на передачу | 7 | 8 | |
| Готовность к передаче | 8 | 1 |
Цвета проводов:
1 Черный
2 Коричневый
3 Красный
4 Оранжевый
5 Желтый
6 Зеленый
7 Синий
8 Серый (или белый)
Строго говоря, кабель RS-232 - это наименование стандарта, описывающего интерфейс соединения с компьютера с устройством RS - recommended standard, переводится как "рекомендованный стандарт", а 232 - номер типа. Он был разработан еще в 60-х годах прошлого века. Сегодня новая редакция этого стандарта, которую приняли в 1991 году ассоциации телекоммуникационной и носит название EIA/TIA-232-E. Однако большинство людей продолжают использовать название "кабель RS-232", которое намертво "приросло" к интерфейсу.
Указанный выше интерфейс обеспечивает соединение следующих устройств: DTE (Data Terminal Equipment) — ООД (Оконечное Оборудование Данных), и DCE (Data Communications Equipment) — ОПД (Оборудование Передачи Данных). Под ООД обычно подразумевается персональный компьютер, а под ОПД - модем. Хотя кабель RS-232 используется также для подключения к ПЕОМ других периферийных устройств (принтер, мышь и т. д.), а также для соединения с другими компьютерами или контроллерами. Важно помнить обозначения DCE и DTE, так как они используются в наименованиях сигналов интерфейсов и помогают разбираться с описанием требуемой реализации устройства.
Изначально кабель RS-232 имел 25-контактный соединитель типа DB25. Устройство типа DTE оснащалось разъемом-розеткой («мама»). Позднее стали использовать «урезанный» вариант интерфейса с 9-контактными соединителями DB9. Такой вид кабеля распространен и в наши дни.
Распайка кабеля RS-232
Ниже приводится назначение выводов 9-контактнго соединителя типа DB9. Перечень показывает распайку разъема («папа») оборудования обработки данных, например персонального компьютера. Розетка прибора передачи данных распаивается таким образом, что оба разъема стыкуются через кабель или напрямую «контакт в контакт».
1. Carrier Detect - наличие несущей частоты.
2. Received Data - принимаемые данные.
3. Transmitted Data - передаваемые данные.
4. Data Terminal Ready - готовность ООД.
5. Signal Ground - общий.
6. Data Set Read - готовность ОПД.
7. Request To Send - запрос на передачу.
8. ClearToSend - готов передавать.
9. Ring Indicator - наличие сигнала вызова.
Данные передаются по цепям RD и TD. Остальные цепи предназначаются для отображения состояния DTR и DSR устройств, управления передачей CTS и RTS, а также индикации состояния RI и CD линий. Только при подключении к персональному компьютеру внешнего модема используется полный набор цепей. При подключении других таких как контроллеры или мыши, используются выборочные цепи, необходимые для конкретного оборудования. Они зависят от программной и аппаратной реализации устройства.
Описание и технические параметры
Стандарт четко определяет максимально возможную длину кабеля RS-232 - 15 метров со скоростью передачи данных 9600 бит/с. Однако на практике проверено, что устойчивая работа достигается и при большей длине провода. Считается, что при применении неэкранированного кабеля можно увеличить длину до 30 метров, а при использовании экранированного - до 75 метров. И это без потери Если же понизить скорость примерно вдвое, то длина кабеля увеличивается также вдвое. Рекомендуется использовать кабель на основе в таком случае каждый сигнальный провод состоит в паре с общим проводом. Не рекомендуется объединять экран кабеля с общим сигнальным.
Часто можно встретить кабель RS-232- USB. Он представляет собой стандартный интерфейс, на одном из концов которого используется
Тверской государственный технический университет
В.В. Лебедев, А.Н. Васильев, А.Р. Хабаров
Периферийные устройства ЭВМ
Учебное пособие
Издание первое
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 230101 Вычислительные машины, комплексы системы и сети.
УДК 681.327.8(075.8)
ББК 32.973.26-04я7
Лебедев, В.В. Периферийные устройства ЭВМ: учебное пособие / В.В. Лебедев, А.Н. Васильев, А.Р. Хабаров. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2009. 176 с.
Включает описание принципов работы и взаимодействия периферийных устройств и ЭВМ. Подробно рассмотрен один из самых успешно применяемых интерфейсов RS-232С. Материал пособия позволяет студентам ознакомиться с теоретическими основами работы модема, клавиатуры, принтера и видеоадаптера и закрепить их при выполнении предложенного лабораторного практикума.
Предназначено для студентов специальности 230101 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети для изучения данной дисциплины, при курсовом и дипломном проектировании.
Рецензенты: заведующий кафедрой ЭВМ Тверского государственного технического университета, доктор технических наук, профессор В.А. Григорьев; Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральное конструкторское бюро транспортного машиностроения» (ведущий инженер Д.В. Суринский).
ISBN 978-5-7995-0427-4 © Тверской государственный
технический университет, 2009
Введение
Современные компьютеры представляют собой сложный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. Благодаря принципу открытой архитектуры, существует возможность подключения к системному блоку компьютера широкого спектра дополнительных периферийных устройств различного назначения. С помощью периферийных устройств осуществляется связь с различными источниками (поставщиками) и получателями (потребителями) информации. Функции периферийных устройств достаточно разнообразны, однако среди них можно выделить две основные: хранение информации на различных носителях данных и преобразование ее согласно функции, выполняемой внешним устройством. К периферийным устройствам относятся устройства ввода-вывода и внешняя память; к аппаратным средствам ввода информации в компьютер – клавиатура, различного рода манипуляторы (мышь, трекбол, джойстик), сканер и другие устройства; к аппаратным средствам вывода информации из компьютера – мониторы, принтеры, графопостроители, синтезаторы речи. Модемы используются как для передачи, так и для приема информации. Устройства внешней памяти компьютера выполняют функции двустороннего обмена информацией и служат для постоянного хранения программ и данных.
Коммуникация компьютера с периферийными устройствами осуществляется посредством портов ввода-вывода или интерфейсов. Под интерфейсом понимается совокупность правил и средств, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств. Интерфейс периферийного устройства включает в себя техническое исполнение, наборы передаваемых сигналов и правила обмена информацией с компьютером. Существуют два основных класса: последовательные и параллельные интерфейсы. Чисто теоретически параллельные всегда должны выигрывать по скорости у последовательных, но на практике оказывается, что и последовательные имеют свои плюсы, благодаря чему они заняли свою нишу.
Изучение интерфейсов для связи с периферийными устройствами необходимо, так как грамотный специалист по вычислительной технике должен владеть теоретическими знаниями и практическими навыками для построения различных устройств сопряжения на базе существующих стандартных интерфейсов, а также в случае необходимости разрабатывать свои собственные интерфейсы.
В учебном пособии рассмотрены принципы работы одного из самых широко применяемых интерфейсов – RS-232C или COM-порта. Его изучение позволит достаточно быстро освоить принципы функционирования последовательных интерфейсов, протоколов работы электронных схем передачи последовательных сигналов, и перейти к освоению других последовательных интерфейсов: USB и FireWire.
Рассмотрены различные периферийные устройства, такие как модем, клавиатура, принтер и монитор. Особое внимание уделено рассмотрению их интерфейсов. Дан большой объем справочной информации.
Приведен лабораторный практикум, выполнение которого поможет закреплению и лучшему усвоению теоретического материала, а также приобретению практических навыков в разработке и использовании интерфейсов периферийных устройств.
Учебное пособие ориентировано в первую очередь на студентов и преподавателей вузов, аспирантов и молодых специалистов, работа и исследования которых затрагивают вопросы взаимодействия компьютера и периферийных устройств.
Интерфейс RS-232C
Интерфейс RS-232C – CОМ-порт
Последовательный интерфейс для передачи данных в одном направлении использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Английские названия интерфейса и порта Serial interface и Serial port иногда неправильно переводят как «серийные». Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и добиться улучшения связи на больших расстояниях.
Начиная с первых моделей, в PC имелся последовательный порт – CОМ-порт (Communication Port – коммуникационный порт). Этот порт обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS-232C. Синхронный обмен в PC поддерживают лишь специальные адаптеры, например SDLC или V.35. CОМ-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчиков (UART), совместимых с семейством i8250/16450/16550. Они занимают в пространстве ввода-вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут располагаться по стандартным базовым адресам 3F8h (CОМ1), 2F8h (CОМ2), 3E8h (CОМ3), 2E8h (CОМ4). Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ4 (обычно используется для CОМ1 и CОМ3) и IRQ3 (для CОМ2 и CОМ4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также наборы сигналов управления и состояния, соответствующие стандарту RS-232C. CОМ-порты имеют внешние разъемы-вилки (male) DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера. Гальваническая развязка отсутствует – схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Скорость передачи данных может достигать 115 200 бит/с.
Компьютер может иметь до четырех последовательных портов CОМ1 – CОМ4 (для машин класса AT типично наличие двух портов) с поддержкой на уровне BIOS. Сервис BIOS Int 14h обеспечивает инициализацию порта, ввод и вывод символа (без прерываний) и опрос состояния. Через Int 14h скорость передачи программируется в диапазоне 110-9600 бит/с (меньше, чем реальные возможности порта). Для повышения производительности широко используется взаимодействие программ с портом на уровне регистров, для чего требуется совместимость аппаратных средств CОМ-порта с программной моделью i8250/16450/16550.
Название порта указывает на его основное применение – подключение коммуникационного оборудования (например, модема) для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подключаться и периферийные устройства с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и т.д. CОМ-порт широко используется для подключения мыши, а также организации непосредственной связи двух компьютеров. К CОМ-порту подключаются и электронные ключи.
Практически все современные системные платы (еще начиная с PCI-плат для процессоров 486) имеют встроенные адаптеры двух CОМ-портов. Один из портов может использоваться и для беспроводной инфракрасной связи с периферийными устройствами (IrDA). Существуют карты ISA с парой CОМ-портов, где они чаще всего соседствуют с LPT-портом, а также с контроллерами дисковых интерфейсов. «Классический» CОМ-порт позволяет осуществлять обмен данными только программно-управляемым способом, при этом для пересылки каждого байта процессору приходится выполнять несколько инструкций. Современные порты имеют FIFO-буферы данных и позволяют выполнять обмен данных по каналу DMA, существенно разгружая CPU.
В спецификациях PC`99 традиционные CОМ-порты не рекомендованы, но еще разрешены для использования. Если они есть, то должны быть совместимыми с UART 16550A и обеспечивать скорость до 115,2 Кбит/с. Устройствам, которые традиционно используют CОМ-порт, рекомендуется переводить на последовательные шины USB и FireWire.
Протокол RS-232C
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 соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12 … -3В (рис. 1). Логическому нулю соответствует диапазон +3 … +12В. Диапазон -3 … +3В – зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12 … -5В и +5 … +12В для представления единицы и нуля соответственно.
Интерфейс предполагает наличие защитного заземления для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.
Наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для двунаправленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии связи показана на рис. 2. Для двухпроводной линии связи в случае только передачи из компьютера во внешнее устройство используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов интерфейса задействуются только при соединении компьютера с модемом.
Рис.1. Уровни сигналов RS-232C на передающем
и принимающих концах линии связи
Рис.2. Схема четырехпроводной линии связи для RS-232C
Назначение контактов разъемов CОМ-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных АПД) приведено в табл. 1. У модемов название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.
Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения CОМ-порта PC. Для удобства будем пользоваться мнемоникой названий, принятой в описаниях CОМ-портов и большинства устройств (она отличается от безликих обозначений RS-232 и V.24). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 2.
Таблица 1. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C
| Обозначение цепи | Контакт разъема | № провода кабеля выносного разъема PC | Направле-ние | ||||||
| CОМ-порт | RS-232 | V.24 | DB-25P | DB-9P | 1 1 | 2 2 | 3 3 | 4 4 | I/O |
| PG | AA | (10) | (10) | (10) | - | ||||
| SG | AB | - | |||||||
| TD | BA | O | |||||||
| RD | BB | I | |||||||
| RTS | CA | O | |||||||
| CTS | CB | I | |||||||
| DSR | CC | I | |||||||
| DTR | CD | 108/2 | O | ||||||
| DCD | CF | I | |||||||
| RI | CE | I |
Примечания:
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 разъёму.
Нормальная последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к CОМ-порту приведена на рис. 3. Напомним, что положительному уровню соответствует логическое состояние «выключено», а отрицательному – «включено».
Таблица 2. Назначение сигналов интерфейса RS-232C
| Сигнал | Назначение |
| PG | Protected ground – защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля |
| SG | Signal ground – сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов |
| TD | Transmit data – последовательные данные – выход передатчика |
| RD | Receive data – последовательные данные – вход приемника |
| RTS | Request to send – выход запроса передачи данных: состояние «включено» уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением – состояние «включено» служит сигналом модему на переключение в режим передачи |
| CTS | Clear to send – вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние «выключено» запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоком данных |
| DSR | Data set ready – вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала) |
| DTR | Data terminal ready – выход сигнала готовности терминала к обмену данными, состояние «включено» поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения |
| DCD | Data carrier detected – вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема |
| RI | Ring indicator – вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова |
Рис. 3. Последовательность управляющих сигналов интерфейса RS-232C
Рассмотрим последовательность управляющих сигналов.
1. Установкой сигнала DTR компьютер указывает на желание использовать модем.
2. Установкой сигнала DSR модем сигнализирует о своей готовности к установлению 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 сигнала CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (например, буфер заполнен) – компьютер должен приостановить передачу данных.
6. Восстановлением сигнала CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).
7. Снятие сигнала 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 сигнала RTS сбросом сигнала CTS.
9. Компьютер повторно устанавливает сигнал RTS для возобновления передачи.
10. Модем подтверждает готовность к этим действиям.
11. Компьютер указывает на завершение обмена.
12. Модем отвечает подтверждением.
13. Компьютер снимает сигнал DTR, что обычно является сигналом на разрыв соединения.
14. Модем сбросом сигнала DSR сообщает о разрыве соединения.
Из рассмотрения этой последовательности становятся понятными соединения DTR-DSR и RTS-CTS в нуль-модемных кабелях.
При асинхронной передаче (рис. 4) каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). 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.
Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи: ложный старт-бит, потерянный стоп-бит, ошибку паритета. Контроль формата позволяет обнаружить разрыв линии: при этом принимается логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп-бита.
Рис. 4. Формат асинхронной передачи
Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 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. Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 или 2 (полтора бита означает только длительность стопового интервала).
Асинхронный режим является байт-ориентированным (символьно- ориентированным) – минимальная пересылаемая единица информации – байт (символ). В отличие от него синхронный режим (не поддерживается CОМ-портами) является бит-ориентированным – кадр, пересылаемый по нему, может иметь произвольное количество бит.
