COM-порт (последовательный порт). COM-порт. Сопряжение устройств с ПК. Программирование

Иногда приходится решать задачу связи электронного устройства с компьютером, будь то просто обмен данными или удалённое управление. Эта статья описывает, как это можно реализовать, используя последовательный порт. Главным его преимуществом является то, что стандартный программный интерфейс Windows (API) позволяет производить непосредственное управление выходными линиями, давая прямой контроль над ними, и имеет функцию ожидания некоторого события, связанного с COM-портом. Также стандарт RS-232, по которому выполнены COM-порты, допускает подключение и отключение кабелей во время работы устройств (hot plug).

Описание

COM-порт (последовательный порт) – двунаправленный интерфейс, передающий данные в последовательном виде (бит за битом) по протоколу RS-232. Это довольно-таки распространённый протокол, применяемый для связи одного устройства (например, компьютера) с другими посредством проводов длиной до 30м. Уровни логических сигналов здесь отличаются от стандартных: уровень логической единицы – от +5 до +15В, уровень логического нуля – от -5 до -15В, что требует дополнительных преобразований схемы, но обеспечивает хорошую помехоустойчивость.

Рассмотрим 9-пинововый разъём (DB-9M). Ниже представлена его распиновка:

№ вывода	Наименование	Характер сигнала	Сигнал
1	DCD	Входной	Data carrier detect
2	RxD	Выходной	Transmit data
3	TxD	Входной	Receive data
4	DTR	Выходной	Data terminal ready
5	GND	-	Ground
6	DSR	Входной	Data set ready
7	RTS	Выходной	Request to send
8	CTS	Входной	Clear to send
9	RI	Входной	Ring indicator

Больше всего нас будут интересовать пины 2 (передача данных),3 (приём данных) и 5 (земля). Это минимальный набор для возможности двухстороннего общения приборов.

Подробно останавливаться на описании протокола не буду. Для этого есть ГОСТ’ы и т.п. Поэтому мы пойдём дальше и поговорим о том, как же управлять этим зверем.

Применение

Как уже говорилось, уровни ЛС RS-232 отличаются от стандартных уровней ТТЛ. Следовательно, нам необходимо как-то преобразовывать величины напряжений. Т.е. сделать 5В из +15В и 0В из -15В (и наоборот). Один из способов (и, наверное, самый простой) – использование специальной микросхемы MAX232. Она проста в понимании и одновременно может преобразовывать два логических сигнала.

Ниже приведена схема её включения:

Думаю, трудностей быть не должно. Это один из вариантов использования этой микросхемы: передача данных с микроконтроллера на ЭВМ и наоборот. Передаваемый сигнал поступает на ножки Tx IN с одной стороны и на Rx IN с другой. Входные сигналы снимаются с Tx OUT и Rx OUT соответственно.

Программирование

Для начала поговорим о программировании портов на низком уровне. Так будет более правильно. Я очень много нервов потратил, разбираясь с этим интерфейсом, пока не начал вникать в принцип его работы на более низком уровне, нежели простая передача символов. Если будет понятно это, значит и с языками высокого уровня проблем не будет.

Ниже представлены адреса COM-портов, с которыми нам придётся работать:

Название порта	Адрес	IRQ
COM 1	3F8h	4
COM 2	2F8h	3
COM 3	3E8h	4
COM 4	2E8h	3

Они могут различаться. Установить значения можно в настройках BIOS’а. Это базовые адреса. От них же и будут зависеть адреса регистров, отвечающие за работу портов:

Адрес	DLAB	Чтение/Запись	Аббревиатура	Название регистра
+ 0	=0	Write	–	Transmitter Holding Buffer
	=0	Read	–	Receiver Buffer
	=1	Read/Write	–	Divisor Latch Low Byte
+ 1	=0	Read/Write	IER	Interrupt Enable Register
+ 1	=1	Read/Write	–	Divisor Latch High Byte
+ 2	-	Read	IIR	Interrupt Identification Register
+ 2	-	Write	FCR	FIFO Control Register
+ 3	-	Read/Write	LCR	Line Control Register
+ 4	-	Read/Write	MCR	Modem Control Register
+ 5	-	Read	LSR	Line Status Register
+ 6	-	Read	MSR	Modem Status Register
+ 7	-	Read/Write	–	Scratch Register

Первая колонка – адрес регистра относительно базового. Например, для COM1: адрес регистра LCR будет 3F8h+3=3FB. Вторая колонка – DLAB (Divisor Latch Access Bit) бит, определяющий разное назначение для одного и того же регистра.. Т.е. он позволяет оперировать 12-ю регистрами, используя всего 8 адресов. Например, если DLAB=1, то, обращаясь по адресу 3F8h, мы будем устанавливать значение младшего байта делителя частоты тактового генератора. Если же DLAB=0, то, обращаясь по тому же адресу, в этот регистр будет записан передаваемый или принятый байт.

“Нулевой” регистр

Ему соответствуют регистры приёма/передачи данных и установки коэффициента делителя частоты генератора. Как уже было сказано выше, если DLAB=0, то регистр используется для записи принимаемых/передаваемых данных, если же он равен 1, то устанавливается значение младшего байта делителя частоты тактового генератора. От значения этой частоты зависит скорость передачи данных. Старший байт делителя записывается в следующую ячейку памяти (т.е. для порта COM1 это будет 3F9h). Ниже приведена зависимость скорости передачи данных от коэффициента делителя:

Interrupt Enable Register (IER)

Если DLAB=0, то он используется как регистр управления прерываниями от асинхронного адаптера, если DLAB=1, то в нём задаётся старший байт делителя частоты тактового генератора.

Interrupt Identification Register (IIR)

Прерывание – это событие, при котором останавливается выполнение основной программы и начинается выполнение процедуры прерываний. Этот регистр определяет тип произошедшего прерывания.

Line Control Register (LCR)

Это управляющий регистр.

Бит 7	1	Divisor Latch Access Bit – задание скорости обмена данными
Бит 7	0	Обычнй режим (управление прерываниями, приём/передача данных)
Бит 6	Имитировать обрыв линии (посылает последовательность из нескольких нулей)
Биты 3 – 5	Бит 5	Бит 4	Бит 3	Выбор чётности
	X	X	0	No Parity
	0	0	1	Odd Parity
	0	1	1	Even Parity
	1	0	1	High Parity (Sticky)
	1	1	1	Low Parity (Sticky)
Бит 2	Кол-во стоп-битов
	0	1 стоп-бит
	1	2 стоп-бита при 6,7 или 8 бит данных или 1.5 стоп-бита при 5 битах данных.
Биты 0 And 1	Бит 1	Бит 0	Число битов данных
	0	0	5 бит
	0	1	6 бит
	1	0	7 бит
	1	1	8 бит

Проверка чётности подразумевает под собой передачу ещё одного бита – бита чётности. Его значение устанавливается таким образом, чтобы в пакете битов общее количество единиц (или нулей) было четно или нечетно, в зависимости от установки регистров порта. Этот бит служит для обнаружения ошибок, которые могут возникнуть при передаче данных из-за помех на линии. Приемное устройство заново вычисляет четность данных и сравнивает результат с принятым битом четности. Если четность не совпала, то считается, что данные переданы с ошибкой.

Стоп-бит означает окончание передачи данных.

Modem Control Register (MCR)

Регистр управления модемом.

Бит	Значение
0	Линия DTR
1	Линия RTS.
2	Линия OUT1 (запасная)
3	Линия OUT2 (запасная)
4	Запуск диагностики при входе асинхронного адаптера, замкнутом на его выход.
5-7	Равны 0

Line Status Register (LSR)

Регистр, определяющий состояние линии.

Бит	Значение
0	Данные получены и готовы для чтения, автоматически сбрасывается при чтении данных.
1	Ошибка переполнения. Был принят новый байт данных, а предыдущий ещё не был считан программой. Предыдущий байт потерен.
2	Ошибка чётности, сбрасывается после чтения состояния линии.
3	Ошибка синхронизации.
4	Обнаружен запрос на прерывание передачи "BREAK" – длинная строка нулей.
5	Регистр хранения передатчика пуст, в него можно записать новый байт для передачи.
6	Регистр сдвига передатчика пуст. Этот регистр получает данные из регистра хранения и преобразует их в последовательный вид для передачи.
7	Тайм-аут (устройство не связано с компьютером).

Modem Status Register (MSR)

Регистр состояния модема.

Ну вот и всё. Оперируя этими регистрами, можно напрямую общаться с COM-портом, управлять передачей и приёмом данных. Если вам не хочется возиться с памятью, можно воспользоваться уже готовыми компонентами для различных сред программирования: C++, VB, Delphi, Pascal и т.д. Они интуитивно понятны, поэтому, думаю, здесь не стоит заострять на них внимание.

У стандартного модемного интерфейса (rs232) кроме линий RxD и TxD есть еще куча разных, их называют “сигналами квитирования”. Я всегда путался в них — во всех этих RTS’ах, CTS’ах и прочих DSR’ах. В этой статье, я попробую систематизировать и кратко описать эти сигналы.

Итак, первое что стоит знать – интерфейс rs232 соединяет два типа устройств

DTE (Data Terminal Equipment) – это обычно компьютер или заменяющее его устройство. Для простоты, дальше я DTE буду называть компьютер. На компьютер устанавливается разъем типа “папа”

DCE (Data Circuit-terminating Equipment) – это обычно модем, или его заменяющее оборудование. Для простоты я буду называть DCE модемом. На DCE устанавливается разъем типа “мама”

Сигналы я буду описывать на примере 9-контактного разъема, так как он самый распространенный. Взглянем на него.

Как видно, контакты на разъемах перевернуты. Таким образом, прямой провод соединит контакты с одинаковыми номерами, тоесть, к примеру, контакту 2 на “папе” будет соответствовать контакт 2 на “маме”.

А вот и сводная табличка сигналов. Под названием вывода – номер его штырька в 9-контактном разъеме.

Передача данных компьютером, прием модемом	TxD 3
		RxD 2	Передача данных модемом, прием компьютером
Компьютер готов передавать данные, либо компьютер разрешает модему передавать данные	RTS 7
		CTS 8	Модем разрешает компьютеру передавать данные
		DSR 6	Готовность модема к работе.
Готовность компьютера к работе.	DTR 4
		RI 9	Индикатор звонка
		DCD 1	Индикатор наличия несущей. Устанавливается после соединения.
Земля	SG 5	SG 5	Земля

Ну, и немного подробнее опишем каждый сигнал.

Я буду рассматривать сигналы обычных логических уровней – так, как они выглядят на выходах или входах микроконтроллера.

Сигналы в кабеле (после преобразователя уровня, к примеру max232) перевернуты и уровни сдвинуты. Так, логической 1 на выходе контроллера соответствуют уровни напряжения от –3 до –15 вольт, а логическому нулю – +3…+15 вольт.

TxD (Tramsmit Data)

Сразу скажу, что откуда в сокращении буква “x” – я не знаю.

По этой линии происходит передача данных от компьютера к модему. По умолчанию на ней — высокий уровень. Прием байта начинается по стартовому биту (а точнее, по переходу линии из высокого состояния в низкое). Стартовый бит всегда является логическим нулем.

После этого идет не обязательный бит четности (на картинке его нет). Бит четности дополняет количество единиц до четного (even) или нечетного (odd). К примеру, если в байте было 3 единицы и четность установлена как “even”, то бит четности будет равен 1, чтобы дополнить количество единиц до четырех – четного числа. Четность служит для проверки правильности передачи байта.

После бита четности идет один, один с половиной или два стоп-бита. Стоп бит используется, чтобы правильно отработался старт-бит (чтобы между байтами всегда был перепад из высокого уровня в низкий). Это бит всегда установлен в логическую 1.

К примеру, передача 0xEE будет выглядеть на линии UART’а так:

Параметры последовательного порта обычно пишут так – “9600, 8N1”. 9600 – это скорость передачи бит/с, 8 – количество бит данных в посылке, N – бит четности не используется (может быть E или O, если используется), 1 – один стоп бит.

Заметьте, что количество передаваемых байт в секунду зависит не только от скорости передачи, но и от формата байта. К примеру, один байт в формате 8N1 занимает 10 бит (стартовый + 8 бит данных + стоповый), а в формате 8E1 уже 11бит – добавляется бит четности. Соответственно, байтовая скорость при битовой 9600бод станет 960байт/с в первом случае и 872.7байт/с во втором.

RxD (Receive Data)

Тоже самое, что и TxD, только хозяин этой линии – модем.

CTS (Clear To Send)

Рассмотрим такую ситуацию – компьютер отправляет модему большое количество данных на скорости 38400 бод, а модем подключен к другому модему на скорости 9600 бод.

Буфер внутри модема быстро заполняется, и, для того, чтобы он не переполнился, модем должен сообщить компьютеру “прекрати передачу!”. Для этого и служит линия CTS.

Активный уровень CTS – низкий. Тоесть, модем разрешает передачу данных, когда на ножке контроллера 0.

Пример из руководства по LPC17xx.

Как видно, компьютер передавал данные, пока на ножке был ноль. Когда появился высокий уровень, компьютер закончил передавать текущий байт и остановился.

RTS (Request To Send)

Вот с этой ножкой неразбериха. Проблема в том, что на месте этой ножки по стандарту могут быть два сигнала – RTS (номер цепи по стандарту — 105) и RTR (номер 133).

RTS (Ready To Send) – компьютер сигнализирует модему о том, что он сейчас будет передавать данные. Модем должен приготовиться и активировать CTS, после чего компьютер начинает передавать данные.

RTR (Ready To Receive) – компьютер сообщает модему о том, что он готов принимать данные. Это – аналог CTS, только со стороны компьютера.

Сейчас основная часть оборудования использует RTS как RTR! И даже аппаратное квитирование у LPC17xx, LPC2xxx, AT91SAM7 реализует именно механизм RTR.

Активный уровень как и у CTS – низкий.

Рассмотрим механизм подробнее на примере из руководства по LPC17xx

Сначала — сигнал RTS – низкий, принимаются байты.

Как только буфер приемника заполнился N символами, RTS переходит в высокое состояние, что запрещает модему передавать данные. Но, как видно, модем не успел среагировать на RTS и передал еще один байт, поэтому очень важно оставлять в буфере запас для как минимум одного байта.

DTR (Data Terminal Ready)

Сигнал от компьютера к модему, обозначающий, что компьютер включен и котов к работе с модемом. Активное состояние, как обычно, низкое. Тоесть, если на ножке контроллера 0, то модем должен подготовиться к подключению к линии. Если-же компьютер выставит на этой ножке логическую 1, то модем обязан отключиться от линии (положить трубку, к примеру)

DTR также часто использовался как источник питания для внешнего малопотребляющего оборудования (к примеру, для мышки).

DSR (Data Set Ready)

Сигнал от модема к компьютеру. Говорит о том, что модем включен, проинициализирован, и готов к общению с компьютером. До тех пор, пока этот сигнал не активен нет смысла передавать что-либо в модем. Модем готов, когда на ножке контроллера логический 0.

RI (Ring Indicator)

Сигнал от модема к компьютеру. Как не сложно догадаться, этот сигнал дергается, когда на модем звонят. Скорость переключения сигнала – маленькая, порядка секунд, сигнал довольно точно повторяет огибающую звонка (огибающую того, что вы слышите, когда звонит аналоговый телефон).

На практике, этот сигнал используется редко. Обычно программа просто ждет сообщения “RING” от модема.

Логический 0 на ножке контроллера значит, что идет вызов.

DCD (Data Carrier Detect)

Сигнал от модема к компьютеру. Сообщает компьютеру о том, что модем подключен к удаленному модему. Эта ножка – очень важна, так как дает возможность определить спонтанные отключения.

Логический 0 означает, что связь между модемами активна.

Теперь кратко про кабель

Теперь про кабель. Стандарт определяет максимальную емкость кабеля как 2.5нФ. Это, примерно, 25метров.

Однако, на практике, это ограничение игнорируют, так как целостность сигнала определяется не только емкостью но и скоростью. Вот максимальные длинны, используемые на практике для низких скоростей.

Скорость (бод)	Длинна экранированного кабеля, метры	Длинна неэкранированного кабеля, метры
110	1500	300
300	1200	300
1200	900	150
2400	600	150
4800	150	75
9600	75	30

Стандарт

Если у вас остались какие-то вопросы, то лучше обратиться непосредственно к стандарту. как оказалось, найти его довольно сложно, поэтому выкладываю еще и у себя.

Вот мы и добрались до COM порта. Но с ним все не так просто как с LPT, и его полноценное использование потребует значительно больших усилий. Главной загвоздкой является и его главное преимущество - передача данных в последовательном виде. Если в LPT байт данных передается по 8-ми линиям по биту на каждую, и состояние каждой линии можно было легко посмотреть, то в COM порту байт данных передается бит за битом по одной линии (относительно земли, конечно) и посмотреть что там передается с помощью одних светодиодов не удастся. Для этого нужно специальное устройство - преобразователь потока последовательных данных в парраллельный, т.н. USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter). Например, он есть в составе материнской платы компьютера, снабженного COM портом, в любом более мение серьезном микроконтроллере.

Надеюсь, вы еще пали духом в освоении COM порта. Все не так уж и мрачно. Некоторые результаты можно получить и без USART. Сформулируем задачу, которую реализуем на начальном этапе работы с COM портом:

"Хочу что бы к компьютеру через COM порт подключался светодиод. Запускаю программу. Далаю какое-то действие в этой программе, светодиод загорается, делаю другое - светодиод тухнет."

Задача довольно специфичная (с учетом того, что USART не используется) и является чистой "самопальщиной", но вполне реализуема и работоспособна. Давайте приступим к ее реализации.

1. COM порт

Опять берем системный блок вашего ПК и смотрим в тыловую часть. Примечаем там 9-ти штырьковй разъем - это и есть COM порт. Реально их может быть неколько (до 4-х). На моем ПК установлено два COM порта (см. фото).

2. Удлинитель COM порта

3. Аппаратная часть

С аппаратной частью нам тоже придется "повозиться", в том смысле что она будет сложнее чем с первым устройством для LPT порта. Дело в том что протокол RS-232 по которому идет обмен данными в COM порту, имеет несколько отличное соотношение логическое состояние - напряжение. Если обычно это логический 0 0 В, логическая 1 +5 В, то в RS-232 это соотношение следующее: логический 0 +12 В, логическая 1 -12 В.

И например, получив -12 В не сразу понятно что с этим напряжением делать. Обычно проводят преобразование уровней RS-232 в ТТЛ (0, 5 В). Самый простой вариант - стабилитроны. Но я предлагаю сделать этот преобразователь на специальной микросхеме. Называется она MAX232.

Теперь давайте посмотрим, а какие сигналы из COM порта мы можем посмотреть на светодиодах? В действительности, в COM порту есть аж 6 независимых линий, представляющих интерес для разработчика устройств сопряжения. Две из них пока для нас недоступны - линии по передаче последовательных данных. А вот оставшиеся 4 предназначены для управления и индикации процесса передачи данных и мы сможем "передалать" их под свои нужды. Две из них предназначены для управления со стороны внешнего устройства и мы их пока трогать не будем, а вот последние две оставшиеся линии мы сейчас и поиспользуем. Они называются:

RTS - Запрос на передачу. Линия взаимодействия, которая показывает, что компьютер готов к приему данных.
DTR - Компьютер готов. Линия взаимодействия, которая показывает, что компьютер включен и готов к связи.

Сейчас мы немного передалаем их назначение, и светодиоды, подключенные к ним будут либо тухнуть либо загораться, в зависимости от действий в нашей собственной программе.

Итак, давайте соберем схему, которая позволит нам проводить задуманные действия.

А вот ее практичекая реализация. Я думаю вы меня простите, что я сделал ее в таком стремном макетном варианте, ибо делать плату для такой "высоко продуктивной" схемы не хочется.

4. Программная часть

Тут все попроще. Давайте создадим Windows приложение в Microsoft Visual C++ 6.0 на основе MFC для управления двумя линиями взаимодействия COM порта. Для этого создаем новый проект MFC и указываем ему имя, например, TestCOM . Далее выбираем вариант построения на основе диалога.

Придайте внешний вид окну диалога нашей программы, как на рис. ниже, а именно добавьте четыре кнопки, по две на каждую из линий. Одна из них соответственно необходима для того чтобы "погасить" линию, другая чтобы ее "установить" в еденицу.

Class CTestCOMDlg: public CDialog { // Construction public: CTestCOMDlg(CWnd* pParent = NULL); // standard constructor HANDLE hFile;

Чтобы наша программа могла упрявлять линиями COM порта, его надо сначала открыть. Напишем код, ответственный за открытие порта при загрузке программы.

HFile = CreateFile("COM2", GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0,NULL); if(hFile==INVALID_HANDLE_VALUE) { MessageBox("Не удалось открыть порт!", "Ошибка", MB_ICONERROR); } else { MessageBox("Порт успешно открыт", "Ok", MB_OK); }

С помощью стандарной функции Win API CreateFile() открываем COM-порт COM2 . Далее проверяем успешность открытия с выводом информационного сообщения. Вот тут надо сделать важное замечание: COM2 - это в моем компьютере, а на Вашем компьютере Вы могли подключить его к другому COM порту. Соответственно, его имя нужно изменить на то, кокай порт Вы используете. Посмотреть, какие номера портов присутствуют на Вашем компьютере, можно так: Пуск -> Настройка -> Панель управления -> Система -> Оборудование -> Диспетчер устройств -> Порты (COM и LPT) .

В итоге, функция CTestCOMDlg::OnInitDialog() , расположенная в файле TestCOMDlg.cpp , класса нашего диалога должна принять вид:

BOOL CTestCOMDlg::OnInitDialog() { CDialog::OnInitDialog(); // Add "About..." menu item to system menu. // IDM_ABOUTBOX must be in the system command range. ASSERT((IDM_ABOUTBOX & 0xFFF0) == IDM_ABOUTBOX); ASSERT(IDM_ABOUTBOX AppendMenu(MF_SEPARATOR); pSysMenu->AppendMenu(MF_STRING, IDM_ABOUTBOX, strAboutMenu); } } // Set the icon for this dialog. The framework does this automatically // when the application"s main window is not a dialog SetIcon(m_hIcon, TRUE); // Set big icon SetIcon(m_hIcon, FALSE); // Set small icon // TODO: Add extra initialization here hFile = CreateFile("COM2", GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0,NULL); if(hFile==INVALID_HANDLE_VALUE) { MessageBox("Не удалось открыть порт!", "Оштбка", MB_ICONERROR); } else { MessageBox("Порт успешно открыт", "Ok", MB_OK); } return TRUE; // return TRUE unless you set the focus to a control }

Теперь добавим обработчики кнопок управления линиями. Я дал им соответствующие имена: функция, которая устанавливает еденицу на линии DTR - OnDTR1(), 0 - OnDTR0(). Для линии RTS соответственно аналогичным образом. Напомню, что обработчик создается при двойном щелчке на кнопке. В итоге, эти четыре функции должны принять вид:

Void CTestCOMDlg::OnDTR1() { // TODO: Add your control notification handler code here EscapeCommFunction(hFile, 6); } void CTestCOMDlg::OnDTR0() { // TODO: Add your control notification handler code here EscapeCommFunction(hFile, 5); } void CTestCOMDlg::OnRTS1() { // TODO: Add your control notification handler code here EscapeCommFunction(hFile, 4); } void CTestCOMDlg::OnRTS0() { // TODO: Add your control notification handler code here EscapeCommFunction(hFile, 3); }

Поясню немного как они работают. Как видно, внитри себя они содержат вызов одной и той же Win API функции EscapeCommFunction() с двумя параметрами. Первый из них - это хэндл (HANDLE) на открытый порт, второй - специальный код действия, соответствующий необходимому состоянию линии.

Все, комилируем, запускаем. Если все хорошо, должны увидеть сообщение об успешном открытии порта. Далее, нажатием соответствующих кнопок мигаем светодиодами, подключенными к COM порту.

Serial port (серийный порт, последовательный порт или COM-порт -, communications port) — это последовательный интерфейс с двойной направленностью.

Почему порт назвается последовательным? Потому, что вся информация по этому порту передается шагом равным одному биту. В нем данные передаются бит за битом, в отличие от параллельного порта.

Несмотря на то, что в некоторых других интерфейсах как, например, в Ethernet , FireWire и USB , применяется последовательный обмен данными, название «последовательный порт» закрепилось за портом, обладающим стандартом RS-232C .

Данный порт, в сравнении с другими "последовательными" технологиями, обладает отличительной особенностью: в нем отсутствует какое-либо временное требование между 2 байтами. Временные требования существуют только между битами одного байта. Величина, обратная временной паузе между битами одного байта, носит название «baud rate» (скорость передачи). Кроме того, в данной технологии нет такого понятия, как "пакет". Другие технологии "последовательной" передачи данных (X.25, USB или Ethernet), используют "пакеты", также в них существуют и жесткие временные требования между битами одного пакета.

В части протоколов связи с индустриальным оборудованием имеются жесткие временные требования между байтами последовательного порта. Реализация в многозадачных операционных системах со слабой поддержкой реального времени этих протоколов очень сложна. К этим системам относятся и Windows. Вот почему для работы с этими протоколами зачастую применяют MS-DOS или более устаревшее программное обеспечение.

Самый распространенный для последовательного порта стандарт - RS-232C. Ранее последовательный порт применялся для подключения терминала, позднее его использовали для подключения модема или мыши. В настоящее время его применяют в качестве средства соединения с источниками бесперебойного питания, а также в качестве средства связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем, спутниковыми ресиверами, кассовыми аппаратами и приборами систем безопасности.

Благодаря COM-порту появляется возможность подключить друг к другу два ПК, применяя так называемый «нуль-модемный кабель». Данный метод использовался со времен MS-DOS в целях перекачки файлов с одного компьютера на другой. В UNIX-системах он использовался для терминального доступа к другой машине, а в операционных системах Windows - для отладчика уровня ядра.

Довольно популярный в свое время в IBM-совместимых ПК последовательный порт, сегодня уже морально устарел. Однако, следует отметить, что он еще нередко используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, а также на некоторых современных компьютерах. Последовательный порт активно вытесняется интерфейсом USB и FireWire.

Однако имеются специальные стандарты эмуляции последовательного порта над USB и над Bluetooth . Кстати, любопытно, но именно Bluetooth-технология проектировалась разработчиками в качестве беспроводной версии последовательного порта. Программная эмуляция порта широко используется и по сей день. Так, практически все мобильные телефоны сегодня эмулируют внутри себя COM-порт и модем, с целью реализации тетеринга (доступа компьютера к сети Интернет через GPRS/EGDE/3G). А вот непосредственно для физического подключения к компьютеру применяется USB, Bluetooth или Wi-Fi технологии.

Кроме того, программная эмуляция последовательного порта возможна для гостевых пользователей виртуальных машин VMWare и Microsoft Hyper-V. Основной целью данной процедуры является подключение отладчика уровня ядра Windows к гостевому клиенту.

Достоинства COM-порта

Главное преимущество данной технологии состоит в простоте подключения.

Недостатки COM-порта

Главными недостатками данного порта являются его низкая скорость, большие размеры разъемов, а также высокие требования к времени отклика операционной системы. Также, в данном стандарте наблюдается высокое количество прерываний (одно прерывание на каждые 8 байт).

Разъемы

Самыми распространенными разъемами стандарта являются 9-ти и 25-ти контактные (DB-9 и DB-25, соответственно), которые были стандартизированы в 1969 году. Это D-образные разъемы. Помимо них использовались и другие, но из этого же семейства: DB-31 и круглые восьмиконтактные DIN-8.

Максимальная скорость передачи (в обычном исполнении) достигает 115 200 бод.

Аппаратура

Разъем обладает следующими контактами:

DTR (Data Terminal Ready) - выход на ПК, вход - на модеме. Отвечает за готовность компьютера к работе с модемом. Сброс вызывает почти полную перезагрузку модема. В случае с мышью, данный провод используется для осуществления питания.
DSR (Data Set Ready) - вход на ПК, выход - на модеме. Отвечает за готовность модема. Если линия в нуле, то в некоторых операционных системах невозможно открыть порт в качестве файла.
RxD (Receive Data) - вход на ПК, выход - на модеме. Обозначает поток входящих в ПК данных.
TxD (Transmit Data) - выход на ПК, вход - на модеме. Обозначает поток исходящих от ПК данных.
CTS (Clear to Send) - вход на ПК, выход - на модеме. Компьютер должен приостановить процесс передачи данных, пока данный провод не будет выставлен в единицу. Применяется в аппаратном протоколе управления потоком в целях недопущения переполнения на модеме.
RTS (Request to Send) - выход на ПК, вход - на модеме. Модем должен приостановить процесс передачи данных, до тех пор, пока провод не будет выставлен в единицу. Применяется в аппаратном протоколе управления потоком в целях недопущения переполнения в оборудовании/драйвере.
DCD (Carrier Detect) - вход на ПК, выход - на модеме. После установления связи с модемом с той стороны возводится в единицу, сбрасывается в ноль, в случае разрыва связи. Аппаратура ПК может производить прерывание, в случае наступления подобного события.
RI (Ring Indicator) - вход на ПК, выход - на модеме. После детерминации вызывного сигнала телефонного звонка, возводится модемом в единицу. Аппаратная часть ПК может производить прерывание, в случае наступления подобного события.
SG (Signal Ground) - общий сигнальный провод порта. Важно: земля - не общая . Обычно провод имеет изоляцию от корпуса ПК или модема.

В нуль-модемном кабеле применяются две перекрещенные пары: TXD/RXD и RTS/CTS.

UART 16550 - стандартная аппаратура порта. Сегодня включена в SuperIO микросхему на материнской плате. Со времен IBM PC, она оснащена аппаратной очередью байтов. Она существенно снижает число возникающих прерываний.

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Отсюда название интерфейса и порта. Английские термины - Serial Interface и Serial Port (иногда их неправильно переводят как "серийные"). Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи. Характерной особенностью является применение неТТЛ сигналов. В ряде последовательных интерфейсов применяется гальваническая развязка внешних (обычно входных) сигналов от схемной земли устройства, что позволяет соединять устройства, находящиеся под разными потенциалами. Ниже будут рассмотрены интерфейсы RS-232C, RS-422А, RS-423A, RS-485, токовая петля, MIDI, а также СОМ-порт.

2.1. Способы последовательной передачи

Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах. При асинхронной передаче 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 межцу посылками (рис. 2.1). 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 строгими. 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. 2.1. Формат асинхронной передачи

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 и 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. При этом принимаются логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит, и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп- бита.

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 недвоичных 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 (подробнее см. в приложении А).

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). Асинхронный обмен в PC реализуется с помощью СОМ-порта с использованием протокола RS-232C.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым сразу же следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Очевидно, что при передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных, при котором на стороне приемника из принятого сигнала могут быть выделены импульсы синхронизации. В любом случае синхронный режим требует дорогих линий связи или оконечного оборудования. Для PC существуют специальные платы - адаптеры SDLC (дорогие), поддерживающие синхронный режим обмена. Они используются в основном для связи с большими машинами (mainframes) IBM и мало распространены. Из синхронных адаптеров в настоящее время применяются адаптеры интерфейса V.35.

Рис. 2.2. Стандарты последовательного интерфейса

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд родственных международных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485. На рис. 2.2 приведены схемы соединения приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V).

Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423A несколько смягчает ситуацию. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов.

В перечисленных стандартах сигнал представляется потенциалом. Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приемник - "токовая петля" и MIDI. Для связи на короткие расстояния приняты стандарты беспроводной инфракрасной связи. Наибольшее распространение в PC получил простейший из перечисленных - стандарт RS-232C, реализуемый СОМ-портами. В промышленной автоматике широко применяется RS-485, а также RS-422A, встречающийся и в некоторых принтерах. Существуют преобразователи сигналов для согласования этих родственных интерфейсов.

2.2. Интерфейс RS-232C

Интерфейс предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные {О ОД - 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. 2.3. Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АПД, соединив устройства непосредственно с помощью нульмодемного кабеля (рис. 2.4).

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим. Функционально RS-232C эквивалентен стандарту МККТТ V.24/ V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия сигналов.

Рис. 2.3. Полная схема соединения по RS-232C

Рис. 2.4. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем

2.2.1. Электрический интерфейс

Стандарт RS-232C использует 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...-3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON( "включено"), для линий последовательных данных - MARK. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF ("выключено"), а для линий последовательных данных - SPACE. Диапазон -3...+3 В - зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 2.5). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Интерфейс предполагает наличие ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность не выровненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Рис. 2.5. Прием сигналов RS-232C

Для интерфейса RS-232C специально выпускаются буферные микросхемы приемников (с гистерезисом и передатчиком двуполярного сигнала). При несоблюдении правил заземления и коммутации они обычно являются первыми жертвами "пиротехнических" эффектов. Иногда их устанавливают на разъёмах, что облегчает замену. Цоколевка микросхем формирователей сигналов RS-232C приведена на рис. 2.6. Часто буферные схемы входят прямо в состав интерфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии оборачивается крупными финансовыми потерями. Вывести из строя интерфейсные микросхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно: ток короткого замыкания передатчиков обычно не превосходит 20 мА.

Рис. 2.6. Формирование сигналов RS-232C: а - приемник 1489 (А - вход RS-232, С - управление гистерезисом (ТТЛ), Y - выход ТТЛ); б - передатчик 1488 (А, В - входы ТТЛ, Y - выход RS-232, VDD = +12 В, VEE = -12 В); в - таблица состояния выходов передатчика (*1В - логическая 1)

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки (male - "папа") DB-25P или более компактный вариант - DB-9P. Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25-штырьковых разъемов эти контакты не используются).

На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки (female - "мама") 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. 2.7).

Рис. 2.7. Кабели подключения модемов

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. 2.8.

Рис. 2.8. Нуль-модемный кабель: а - минимальный, б - полный

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка - это почти стопроцентный признак 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. 2.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ - портов (и любой другой аппаратуры АПД). Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-E, разъем DB-9S описан стандартом EIA/ TIA-574. 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 СОМ-порта PC. Следует помнить, что активному состоянию сигнала ("включено") и логической единице передаваемых данных соответствует отрицательный потенциал (ниже -3 В) сигнала интерфейса, а состоянию "выключено" и логическому нулю - положительный (выше +3 В). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 2.2.

Обозначение цепи		Контакт разъема		№ провода кабеля выносного разъёма РС				Направление I/O
RS-232	Стык 2	DB-25S	DB-9S	1*	2*	3*	4*	Направление I/O
PG	101	7	5	(10)	(10)	(10)	1	-
SG	102	7	5	5	9	1	13	-
TD	103	2	3	3	5	3	3	0
RD	104	3	2	2	3	4	5	I
RTS	105	4	7	7	4	8	7	0
CTS	106	5	8	8	6	7	9	I
DSR	107	6	6	6	2	9	11	I
DTR	108/2	20	4	4	7	2	14	0
DCD	109	8	1	1	1	5	15	I
RI	125	22	9	9	8	6	18	I

1*- шлейф 8-битных мультикарт.
2*- шлейф 16-битных мультикарт и портов на системных платах.
3* - вариант шлейфа портов на системных платах.
4*- широкий шлейф к 25-контактному разъему.

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
ТО	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" аппаратно запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками 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)
DTP	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

2.2.2. Управление потоком данных

Для управления потоком данных (Flow Control) могут использоваться два варианта протокола - аппаратный и программный. Иногда управление потоком путают с квитированием, но это разные методы достижения одной цели - согласования темпа передачи и приема. Квитирование (Handshaking) подразумевает посылку уведомления о получении элемента, в то время как управление потоком предполагает посылку уведомления о невозможности последующего приема данных.

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. 2.9). 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. 2.9. Аппаратное управление потоком

Аппаратный протокол удобно использовать при подключении принтеров и плоттеров, если они его поддерживают (рис. 2.10). При непосредственном (без модемов) соединении двух компьютеров аппаратный протокол требует перекрестного соединения линий RTS - CTS.

Если аппаратный протокол не используется, у передающего терминала должно быть обеспечено состояние "включено" на линии CTS перемычкой RTS - CTS. В противном случае передатчик будет "молчать".

Рис. 2.10. Кабель подключения принтера с протоколом RTS-CTS

Программный протокол управления потоком XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает протокол следующим образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым 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 (13h), 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. 2.11). 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. 2.11. 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. 2.8а). Недостатком, кроме требования 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. Минимальный вариант кабеля для подключения принтера (плоттера) с протоколом XON/XOFF приведен на рис. 2.12.

Кроме этих двух распространенных стандартных протоколов, поддерживаемых и ПУ, и ОС, существуют и другие. Некоторые плоттеры с последовательным интерфейсом используют программное управление, но посылают не стандартные символы XON/XOFF, а слова (ASCII-строки). Такой обмен на уровне системной поддержки протокола практически не поддерживается (эти плоттеры непосредственно "разговаривают" с прикладной программой). Конечно, можно написать драйвер СОМ-порта (перехватчик INT 14h), но необходимость обработки в нем текстовых сообщений от устройства вывода обычно не вызывает восторга у системного программиста. Кабель для подключения совпадает с приведенным на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Кабель подключения принтера по протоколу XON/XOFF

2.3. Интерфейс "токовая петля"

Распространенным вариантом последовательного интерфейса является токовая петля. В ней электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Логической единице (состоянию "включено") соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю - отсутствие тока. Такое представление сигналов для описанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии - приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров. Расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала интерфейса. В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, используют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (программный протокол).

Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю можно с помощью несложной схемы (рис. 2.13). Здесь принтер подключается по токовой петле к СОМ-порту с аппаратным управлением потоком. Для получения двуполярного сигнала, требуемого для входных сигналов СОМ-порта, применяется питание от интерфейса.

При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник "слышит" как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал. Для безошибочного приема передатчики должны работать поочередно.

Рис. 2.13. Подключение принтера с интерфейсом "токовая петля" к СОМ-порту

2.4. Интерфейс MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является двунаправленным последовательным асинхронным интерфейсом с частотой передачи 31,25 Кбит/с. Этот интерфейс, разработанный в 1983 году, стал фактическим стандартом для сопряжения компьютеров, синтезаторов, записывающих и воспроизводящих устройств, микшеров, устройств специальных эффектов и другой электромузыкальной техники.

В интерфейсе применяется токовая петля 10 мА (возможно 5 мА) с гальванической развязкой входной цепи. Это исключает связь "схемных земель" соединяемых устройств через интерфейсный кабель, устраняя помехи, крайне нежелательные для звуковой техники. Снижению интерференционных помех служит и выбор частоты передачи, которая совпадает с одним из значений частот квантования, принятых в цифровой звукозаписи.

Асинхронная посылка содержит старт-бит, 8 бит информации и 1 стоп-бит, контроль четности отсутствует. Старший бит посылки является признаком "команда/данные". Его нулевое значение указывает на наличие семи бит данных в младших разрядах. При единичном значении биты содержат код команды, а биты - номер канала. Команды могут быть как адресованными конкретному каналу, так и широковещательными безадресными. К последней группе относятся команды старта, стопа и отметки времени, обеспечивающие синхронизацию устройств (система синхронизации MIDI Sync и МТС - MIDI Time Code).

Интерфейс определяет три типа портов: MIDI-In, MIDI-Out и MIDI-Thru.

Входной порт MIDI-In представляет собой вход интерфейса "токовая петля 10 мА", гальванически развязанного от приемника оптроном с быстродействием не хуже 2 мкс. Устройство отслеживает информационный поток на этом входе и реагирует на адресованные ему команды и данные.

Выходной порт MIDI-Out представляет собой выход источника тока 10 мА, гальванически связанного со схемой устройства. Ограничительные предохраняют выходные цепи от повреждения при замыкании на землю или источник 5 В. На выход подается информационный поток от данного устройства. В потоке может содержаться и транслированный входной поток.

Транзитный порт MIDI-Thru (не обязателен) служит для ретрансляции входного сигнала.

В качестве разъемов применяются 5-контактные разъемы DIN, распространенные в бытовой звуковой аппаратуре. На всех устройствах устанавливаются розетки, на кабелях - вилки. Все соединительные кабели MIDI унифицированы (рис. 2.14). Контакт 2 - экран кабеля - соединяется с общим проводом только на стороне передатчика (на разъемах MIDI-Out и MIDI-Thru).

Рис. 2.14. Соединительные кабели MIDI

В маркировке входов и выходов, указанной около разъемов, бывают разночтения. Одни производители пишут "In" или "Out" в соответствии с функцией разъема данного устройства (и это, правильно), тогда любой кабель соединяет "In" и "Out". Другие считают, что подпись должна обозначать функцию подключаемого устройства. Тогда кабель будет соединять разъемы с обозначениями "In" - "In" и "Out" - "Out".

Интерфейс позволяет объединить группу до 16 устройств в локальную сеть. Топология должна подчиняться правилу: вход MIDI-In одного устройства должен подключаться к выходу MIDI-Out или MIDI-Thru другого. При планировании MIDI-сети необходимо руководствоваться информационными потоками и связью устройств. Управляющие устройства - клавиатуры, секвенсоры (в режиме воспроизведения), источники синхронизации - должны находиться перед управляемыми. Если устройства нуждаются в двунаправленном обмене, они соединяются в кольцо. Возможно применение специальных мультиплексоров, позволяющих логически коммутировать несколько входных потоков в один выходной. Вырожденным случаем кольца является двунаправленное соединение двух устройств. Несколько вариантов соединения приведено на рис. 2.15.

В PC MIDI-порт имеется на большинстве звуковых адаптеров, его сигналы выведены на неиспользуемые контакты (12 и 15) разъема игрового адаптера. Для подключения устройств MIDI требуется переходной адаптер, реализующий интерфейс "токовая петля". Переходной адаптер обычно встраивается в специальный кабель, схема которого приведена на рис. 2.16. Некоторые модели PC имеют встроенные адаптеры и стандартные 5-штырьковые разъемы MIDI.

Рис. 2.15. Варианты топологии сети MIDI: a - цепь, б - кольцо с мультиплексором

В PC для интерфейса MIDI применяются порты, совместимые с контроллером MPU-401 (Roland) в режиме UART. В пространстве ввода/вывода MPU-401 занимает два смежных адреса MPU (обычно 330h) и МРU+1:

Порт DATA (адрес MPU+0) - запись и считывание байт, передаваемых и принимаемых по интерфейсу MIDI.
Порт STATUS/COMMAND (адрес MPU+1) - чтение состояния / запись команд (запись - только для интеллектуального режима). В байте состояния определены следующие биты:

Бит 7 - DSR (Data Set Ready) - готовность (DSR=0) принятых данных для чтения. Бит устанавливается в единицу, когда все принятые байты считаны из регистра данных.

Бит 6 - DRR (Data Read Ready) - готовность (DRR=0) UART к записи в регистр данных или команд. Условие готовности к записи не возникнет, если приемник имеет непрочитанный байт данных.

Рис. 2.16. Вариант схемы кабеля-адаптера MIDI

На некоторых системных платах применяются БИС контроллеров интерфейсов, в которых UART, используемая для СОМ-порта, конфигурированием через BIOS SETUP может быть переведена в режим MIDI- порта.

2.5. СОМ-порт

Последовательный интерфейс СОМ-порт (Communication Port - коммуникационный порт) появился в первых моделях IBM PC. Он был реализован на микросхеме асинхронного приемопередатчика Intel 8250. Порт имел поддержку BIOS (INT 14h), однако широко применялось (и применяется) взаимодействие с портом на уровне регистров. Поэтому во всех PC-совместимых компьютерах для последовательного интерфейса применяют микросхемы приемопередатчиков, совместимые с I8250. В ряде отечественных PC- совместимых (почти) компьютеров для последовательного интерфейса применялась микросхема КР580ВВ51 - аналог I8251. Однако эта микросхема является универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком (УАПП или UART - Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Совместимости с PC на уровне регистров СОМ-порта такие компьютеры не имеют. Хорошо, если у соответствующих компьютеров имеется "честный" драйвер BIOS INT 14h, а не заглушка, возвращающая состояние модема "всегда готов" и ничего не делающая. Совместимость на уровне регистров СОМ-порта считается необходимой. Многие разработчики коммуникационных пакетов предлагают работу и через BIOS INT 14h, однако на высоких скоростях это неэффективно. Говоря о СОМ - порте PC, по умолчанию будем подразумевать совместимость регистровой модели с I8250 и реализацию асинхронного интерфейса RS-232C.

2.5.1. Использование СОМ-портов

СОМ-порты чаще всего применяют для подключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт используется в режиме последовательного ввода; питание производится от интерфейса. Мышь с последовательным интерфейсом - Serial Mouse -может подключаться к любому исправному порту. Для согласования разъемов порта и мыши возможно применение переходника DB-9S-DB-25P или DB-25S-DB- 9P. Для мыши требуется прерывание, для порта СОМ1 - IRQ4, для COM2 - IRQ3. Жесткая привязка номера IRQ к номеру порта обусловлена свойствами драйверов. Каждое событие - перемещение мыши или нажатие-отпускание кнопки - кодируется двоичной посылкой по интерфейсу RS-232C. Применяется асинхронная передача; двуполярное питание обеспечивается от управляющих линий интерфейса (табл. 2.3).

Две разновидности Serial Mouse - MS-Mouse и PC-Mouse (Mouse Systems Mouse) - требуют соответствующих драйверов, многие мыши имеют переключатель MS/PC. Мышь с "чужим" драйвером либо не отзывается, либо "скачет" загадочным образом. Эти разновидности используют различные форматы посылок: при одинаковой скорости 1200 бит/с, одном стоп-бите и отсутствии контроля четности Microsoft Mouse использует 7 бит данных, a PC-Mouse - 8 бит. Мышь посылает пакет при каждом изменении состояния - перемещении, нажатии или отпускании кнопки. Пакет, передаваемый MS-Mouse, состоит из трех байт (табл. 2.4). PC-Mouse передает 5 байт (табл. 2.5). Здесь LB (Left Buttom), MB (Middle Buttom) и RB (Right Buttom) означают состояние левой, средней и правой кнопок, Х и Y - биты относительного перемещения мыши с момента предыдущей посылки по координатам Х и Y. Положительным значениям соответствует перемещение по координате Х вправо, а по координате Y вниз для MS-Mouse и вверх для PC-Mouse. Отсюда становятся понятными беспорядочные перемещения курсора на экране при несоответствии драйвера типу мыши.

Биты	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1-й байт	1	LB	RB	Y7	Y6	Х7	Х6
2-й байт	0	Х5	Х4	Х3	Х2	Х1	X0
3-й байт	0	Y5	Y4	Y3	Y2	Y1	Y0

Биты	D7	Dб	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1-й байт	1	0	0	0	0	LB	MB	RB
2-й байт	Х7	Х6	Х5	Х4	ХЗ	Х2	Х1	ХО
3-й байт	Y7	Y6	Y5	Y4	Y3	Y2	Y1	YO
4-й байт	Совпадает со 2-м байтом
5-й байт	Совпадает с 3-м байтом

Для подключения внешних модемов используется полный (9-проводный) кабель АПД-АКД, схема которого приведена на рис. 2.7. Этот же кабель используется для согласования разъемов (по количеству контактов); возможно применение переходников 9-25, предназначенных для мышей. Для работы коммуникационного ПО обычно требуется использование прерываний, но здесь есть свобода выбора номера (адреса) порта и линии прерывания. Если предполагается работа на скоростях 9600 бит/с и выше, то СОМ-порт должен быть реализован на микросхеме UART 16550A или совместимой. Возможности работы с использованием FIFO-буферов и обмена по каналам DMA зависят от коммуникационного ПО.

Для связи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное соединение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем (рис. 2.8). Использование программ типа Norton Commander или Interink MS-DOS позволяет обмениваться файлами со скоростью до 115,2 Кбит/с без применения аппаратных прерываний. Это же соединение может использоваться и сетевым пакетом Lantastic, предоставляющим более развитый сервис.

Подключение принтеров и плоттеров к СОМ-порту требует применения кабеля, соответствующего выбранному протоколу управления потоком: программному XON/XOFF или аппаратному RTS/CTS. Схемы кабелей приведены на рис. 2.10 и 2.12. Аппаратный протокол предпочтительнее. Прерывания при выводе средствами DOS (командами COPY или PRINT) не используются.

СОМ-порт используется для подключения электронных ключей (Security Devices), предназначенных для защиты от нелицензированного использования ПО. Эти устройства могут быть как "прозрачными", позволяя воспользоваться тем же портом для подключения периферии, так и полностью занимающими порт.

СОМ-порт при наличии соответствующей программной поддержки позволяет превратить PC в терминал, эмулируя систему команд распространенных специализированных терминалов (VT-52, VT-100 и т. д.). Простейший терминал получается, если замкнуть друг на друга функции BIOS обслуживания СОМ-порта (INT 14h), телетайпного вывода (INT 10h) и клавиатурного ввода (INT 16h). Однако такой терминал будет работать лишь на малых скоростях обмена (если, конечно, его делать не на Pentium), поскольку функции BIOS хоть и универсальны, но не слишком быстры.

Интерфейс RS-232C широко распространен в различных ПУ и терминалах. СОМ-порт может использоваться и как двунаправленный интерфейс, у которого имеется 3 программноуправляемые выходные линии и 4 программно-читаемые входные линии с двуполярными сигналами. Их использование определяется разработчиком. Существует, например, схема однобитного широтно-импульсного преобразователя, позволяющего записывать звуковой сигнал на диск PC, используя входную линию СОМ-порта. Воспроизведение этой записи через обычный динамик PC позволяет передать речь. В настоящее время, когда звуковая карта стала почти обязательным устройством PC, это не впечатляет, но когдато такое решение было интересным.

СОМ-порт используют для беспроводных коммуникаций с применением излучателей и приемников инфракрасного диапазона - IR (Infra Red) Connection. Этот интерфейс позволяет осуществлять связь между парой устройств, удаленных на расстояние, достигающее нескольких метров. Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные - для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный аппарат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена, которые позволят передавать "живое видео". В 1993 году создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призванная обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1. Имеются собственные системы фирм Hewlett Packard - HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) - и Sharp - ASK (Amplitude Shifted Keyed IR). Основные характеристики интерфейсов следующие:

IrDA SIR (Slow Infra Red), HP-SIR - 9,6-115,2 Кбит/с;
IrDA MIR (Middle Infra Red) - 1,2 Мбит/с;
IrDA FIR (Fast Infra Red) - 4 Мбит/с;
Sharp ASK - 9,6-57,6 Кбит/с.

На скоростях до 115 200 бит/с для инфракрасной связи ис пользуются UART, совместимые с 16450/ 16550. В современных системных платах на использование инфракрасной связи может конфигурироваться порт COM2. В этом случае на переднюю панель компьютера устанавливается внешний приемопередатчик - "инфракрасный глаз", который подключается к разъему IR-Connector системной платы.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы, ориентированные на интенсивный программно-управляемый обмен или DMA с возможностью прямого управления шиной.

Инфракрасные излучатели не создают помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивают конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док-станциями. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров.

2.5.2. Микросхемы асинхронных приемопередатчиков

Преобразование параллельного кода в последовательный для передачи и обратное преобразование при приеме данных выполняют специализированные микросхемы UART (Universal Asynchronous Receiver- Transmitter - универсальный асинхронный приемопередатчик). Эти же микросхемы формируют и обрабатывают управляющие сигналы интерфейса. СОМ-порты IBM PC XT/AT базируются на микросхемах, совместимых на уровне регистров с UART 18250 - 8250/16450/16550А. Это семейство представляет собой усовершенствование начальной модели, направленное на повышение быстродействия, снижение потребляемой мощности и загрузки процессора при интенсивном обмене. Отметим следующее:

8250 имеет ошибки (появление ложных прерываний), учтенные в XT BIOS.
8250А - ошибки исправлены, в результате чего потеряна совместимость с BIOS. Работает в некоторых моделях AT, но непригоден для скорости 9600 бит/с.
8250В - исправлены ошибки 8250 и 8250А, восстановлена ошибка в прерываниях - возвращена совместимость с XT BIOS. Работает в AT под DOS (кроме скорости 9600 бит/с).

Микросхемы 8250х имеют невысокое быстродействие по обращениям со стороны системной шины. Они не допускают обращения к своим регистрам в смежных шинных циклах процессора - для корректной работы с ними требуется введение программных задержек между обращениями CPU.

В компьютерах класса AT применяют микросхемы UART следующих модификаций:

16450 - быстродействующая версия 8250 для AT. Ошибок 8250 и полной совместимости с XT BIOS не имеет. Требуется для работы OS/2 с СОМ-портами.
16550 - развитие 16450. Может использовать канал DMA для обмена данными. Имеет FIFO-буфер, но некорректность его работы не позволяет им воспользоваться.
16550А - имеет работающие 16-байтные FIFO-буферы приема и передачи и возможность использования DMA. Именно этот тип UART должен применяться в AT при интенсивных обменах на скоростях 9600 бит/с и выше. Совместимость с этой микросхемой обеспечивает большинство микросхем контроллеров портов ввода/вывода, входящих в современные чипсеты.

Микросхемы UART 16550А с программной точки зрения представляют собой набор регистров, доступ к которым определяется адресом (смещением адреса регистра относительно базового адреса порта) и значением бита DLAB (бита 7 регистра LCR). В адресном пространстве микросхема занимает 8 смежных адресов. Список регистров UART 16550А и способы доступа к ним приведены в табл. 2.6. Микросхемы 8250 отличаются отсутствием регистра FCR и всех возможностей FIFO и DMA.

Доступ		Регистр		Чтение/запись R/W
Смещение	DLAB	Имя	Название	Чтение/запись R/W
0h	0	THR	Transmit Holding Register	W
0h	0	RBR	Receiver Buffer Register	R
0h	1	DLL	Divisor Latch LSB	R/W
1h	1	DLM	Divisor Latch MSB	R/W
1h	0	IER	Interrupt Enable Register	R/W
2h	X	IIR	Interrupt Identification Register	R
2h	X	FCR	FIFO Control Register	W
3h	X	LCR	Line Control Register	R/W
4h	X	MCR	Modem Control Register	R/W
5h	X	LSR	Line Status Register	R/W*
6h	X	MSR	Modem Status Register	R/W*
7h	X	SCR	Scratch Pad Register	R/W

* Некоторые биты допускают только чтение. Запись в регистр может привести к сбою протокола.

THR - промежуточный регистр данных передатчика (только для записи). Данные, записанные в регистр, будут пересланы в выходной сдвигающий регистр (когда он будет свободен), из которого поступят на выход при наличии разрешающего сигнала CTS. Бит 0 передается (и принимается) первым. При длине посылки менее 8 бит старшие биты игнорируются.

RBR - буферный регистр принимаемых данных (только для чтения). Данные, принятые входным сдвигающим регистром, помещаются в регистр RBR, откуда они могут быть считаны процессором. Если к моменту окончания приема очередного символа предыдущий не был считан из регистра, фиксируется ошибка переполнения. При длине посылки менее 8 бит старшие биты в регистре имеют нулевое значение.

DLL - регистр младшего байта делителя частоты.

DLM - регистр старшего байта делителя частоты. Делитель определяется по формуле D=115200/V, где V - скорость передачи, бит/с. Входная частота синхронизации 1,8432 МГц делится на заданный коэффициент, после чего получается 16-кратная частота передачи данных.

IER - регистр разрешения прерываний. Единичное значение бита разрешает прерывание от соответствующего источника.

Назначение бит регистра IER:

Биты 7-4=0 - не используются.
Бит 3 - Mod IE - по изменению состояния модема (любой из линий CTS, DSR, Rl, DCD).
Бит 2 - RxL IE - по обрыву/ошибке линии.
Бит 1 - TxD IE - по завершении передачи.
Бит 0 - RxD IE - по приему символа (в режиме FIFO - прерывание по тайм-ауту).

IIR - регистр идентификации (только для чтения) прерываний и признака режима FIFO. Для упрощения программного анализа UART выстраивает внутренние запросы прерывания по четырехуровневой системе приоритетов. Порядок приоритетов (по убыванию): состояние линии, прием символа, освобождение регистра передатчика, состояние модема. При возникновении условий прерывания UART указывает на источник с высшим приоритетом до тех пор, пока он не будет сброшен соответствующей операцией. Только после этого будет выставлен запрос с указанием следующего источника.

Назначение бит регистра IIR:

Биты - признак режима FIFO:

11 -режим FIFO 16550A,
10 - режим FIFO 16550,
00 - обычный.

Биты - не используются.
Бит 3 - прерывание по тайм-ауту (не в режиме FIFO).
Биты - причина прерывания с наивысшим приоритетом (в обычном, не FIFO-режиме):

11 - ошибка/обрыв линии, сброс выполняется чтением регистра состояния линии,
10 - принят символ; сброс - чтением данных,
01 - передан символ (регистр THR пуст); сброс - записью данных,
00 - изменение состояния модема; сброс - чтением регистра состояния модема.

Бит 0 - признак необслуженного запроса прерывания:

1 - нет запроса,
0 -есть запрос.

В режиме FIFO причину прерываний идентифицируют биты IIR :

011 - ошибка/обрыв линии; сброс - чтением регистра состояния линии.
010 - принят символ; сброс - чтением регистра данных приемника.
110 - индикатор тайм-аута (за 4-кратный интервал времени символа не передано и не принято ни одного символа, хотя в буфере имеется по крайней мере один). Сброс - чтением регистра данных приемника.
001 - регистр THR пуст; сброс - записью данных.
000 - изменение состояния модема (CTS, DSR, RI или DCD), сброс - чтением регистра MSR.

FCR - регистр управления FIFO (только для записи).

Назначение бит регистра FCR:

Биты - ITL (Interrupt Trigger Level) - уровень заполнения FIFO-буфера, при котором вырабатывается прерывание:
- 00-1 байт (по умолчанию),
- 01-4 байта,
- 10 -8байт,
- 11 -14 байт.
Биты зарезервированы.
Бит 3 - разрешение операций DMA.
Бит 2 -RESETTF(Reset Transmitter FIFO) - сброс счетчика FIFO-передатчика (записью единицы сдвигающий регистр не сбрасывается).
Бит 1 - RESETRF(Reset Receiver FIFO) - сброс счетчика FIFO-приемника (записью единицы сдвигающий регистр не сбрасывается).
Бит 0 - TRFIFOE(Transmit And Receive FIFO Enable) - разрешение (единицей) режима FIFO для передатчика и приемника. При смене режима FIFO-буферы автоматически очищаются.

LCR - регистр управления линией (настройки параметров канала).

Назначения бит регистра LCR:

Бит 7 - DLAB (Divisor Latch Access Bit) - управление доступом к делителю частоты.
Бит 6 - BRCON(Break Control) - формирование обрыва линии (посылка нулей) при BRCON=1.
Бит 5 - STICPAR (Sticky Parity) - принудительное формирование бита паритета:

0 - контрольный бит генерируется в соответствии с паритетом выводимого символа,
1 - постоянное значение контрольного бита: при EVENPAR=1 - нулевое, при EVENPAR=0 - единичное.

Бит 4 - EVENPARf Even Parity Select) - выбор типа контроля: 0 - нечетность, 1 - четность.
Бит 3 - PAREN(Parity Enable) - разрешение контрольного бита:

1 - контрольный бит (паритет или постоянный) разрешен,
0 - запрещен.

Бит 2 - STOPS (Stop Bits) - количество стоп-бит:

0-1 стоп-бит,
1-2 стоп-бита (для 5-битного кода стоп-бит будет иметь длину 1,5 бита).

Биты - SERIALDB (Serial Data Bits) - количество бит данных:

00 -5 бит,
01 -6 бит,
10 -7 бит,
11 -8 бит.

MCR - регистр управления модемом.

Назначение бит регистра MCR:

Биты =0 - зарезервированы.
Бит 4 - LME(Loopback Mode Enable) - разрешение режима диагностики:

0 - нормальный режим,
1 - режим диагностики (см. ниже).

Бит 3 - 1Е(Interrupt Enable) - разрешение прерываний с помощью внешнего выхода OUT2; в режиме диагностики поступает на вход MSR.7:

0 - прерывания запрещены,
1 - разрешены.

Бит 2 - OUT1C (OUT1 Bit Control) - управление выходным сигналом 1 (не используется); в режиме диагностики поступает на вход MSR.6.
Бит 1 - RTSC (Request To Send Control) - управление выходом RTS; в режиме диагностики поступает на вход MSR.4:

1 - активен (-V),
0 - пассивен (+V).

Бит 0 - DTRCfData Terminal Ready Control) - управление выходом DTR; в режиме диагностики поступает на вход MSR.5:

1 - активен (-V),
0 - пассивен (+V).

LSR - регистр состояния линии (точнее, состояния приемопередатчика).

Назначение бит регистра LSR:

Бит 7 - FIFOE (FIFO Error Status) - ошибка принятых данных в режиме FIFO (буфер содержит хотя бы один символ, принятый с ошибкой формата, паритета или обрывом). В не FIFO- режиме всегда 0.
Бит 6 - TEMPT (Transmitter Empty Status) - регистр передатчика пуст (нет данных для передачи ни в сдвиговом регистре, ни в буферных, THR или FIFO).
Бит 5 - THRE (Transmitter Holding Register Empty) - регистр передатчика готов принять байт для передачи. В режиме FIFO указывает на отсутствие символов в FIFO-буфере передачи. Может являться источником прерывания.
Бит 4 - BD (Break Detected) - индикатор обрыва линии (вход приемника находится в состоянии 0 не менее, чем время посылки символа).
Бит 3 - FE (Framing Error) - ошибка кадра (неверный стоп бит).
Бит 2 - РЕ (Parity Error) - ошибка контрольного бита (паритета или фиксированного).
Бит 1 - ОЕ (Overrun Error) - переполнение (потеря символа). Если прием очередного символа начинается до того, как предыдущий был выгружен из сдвигающего регистра в буферный или FIFO, прежний символ в сдвигающем регистре теряется.
Бит 0 - DR (Receiver Data Ready) - принятые данные готовы (в DHR или FIFO-буфере). Сброс - чтением приемника.

Индикаторы ошибок - биты - сбрасываются после чтения регистра LSR. В режиме FIFO признаки ошибок хранятся в FIFO-буфере вместе с каждым символом. В регистре они устанавливаются (и вызывают прерывание) в тот момент, когда символ, принятый с ошибкой, находится на вершине FIFO (первый в очереди на считывание). В случае обрыва линии в FIFO заносится только один "обрывной" символ, и UART ждет восстановления и последующего старт-бита.

MSR - регистр состояния модема.

Назначение бит регистра MSR:

Бит 7 - DCD (Data Carrier Detect) - состояние линии DCD.
Бит 6 - Rl(Ring Indicator) - состояние линии Rl.
Бит 5 - DSR(Data Set Ready) - состояние линии DSR.
Бит 4 - CTS(Clear To Send) - состояние линии CTS.
Бит 3 - DDCD(Delta Data Carrier Detect) - изменение состояния DCD.
Бит 2 - TERI(Trailing Edge OfRing Indicator) -спад огибающей Rl (окончание звонка).
Бит 1 - DDSR (Delta Data Set Ready) - изменение состояния DSR.
Бит 0 - DCTS (Delta Clear To Send) - изменение состояния CTS.

Признаки изменения (биты ) сбрасываются по чтению регистра.

SCR - рабочий регистр (8 бит), на работу UART не влияет, предназначен для временного хранения данных (в 8250 отсутствует).

В диагностическом режиме (при LME=1) внутри UART организуется внутренняя заглушка:

Выход передатчика переводится в состояние логической 1. Вход приемника отключается.
Выход сдвигающего регистра передатчика логически соединяется со входом приемника.
Входы DSR, CTS, RI и DCD отключаются от входных линий и внутренне управляются битами DTRC, RTSC, OUT1C, IE.
Выходы управления модемом переводятся в пассивное состояние (логический ноль).

Переданные данные в последовательном виде немедленно принимаются, что позволяет проверять внутренний канал данных порта (включая сдвигающие регистры) и отработку прерываний, а также определять скорость работы UART.

2.5.3. Ресурсы и конфигурирование СОМ-портов

Компьютер может иметь до четырех последовательных портов СОМ 1-COM4 (для машин класса AT типично наличие двух портов). СОМ-порты имеют внешние разъемы-вилки DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера (назначение выводов приведено в табл. 2.1).

СОМ-порты реализуются на микросхемах UART, совместимых с семейством 18250. Они занимают в пространстве ввода/вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут располагаться по стандартным базовым адресам. Порты вырабатывают аппаратные прерывания. Возможность разделяемого использования одной линии запроса несколькими портами (или ее разделения с другими устройствами) зависит от реализации аппаратного подключения и ПО. При использовании портов, установленных на шину ISA, разделяемые прерывания обычно не работают.

Управление последовательным портом разделяется на два этапа - предварительное конфигурирование (Setup) аппаратных средств порта и текущее (оперативное) переключение режимов работы прикладным или системным ПО. Конфигурирование СОМ-порта зависит от его исполнения. Порт на плате расширения конфигурируется джамперами на самой плате. Порт на системной плате конфигурируется через BIOS Setup.

Конфигурированию подлежат следующие параметры:

Базовый адрес, который может иметь значения 3F8h, 2F8h, 3E8h (ЗЕОЬ, 338h) или 2E8h (2EOh, 238h). При инициализации BIOS проверяет наличие портов по адресам именно в этом порядке и присваивает обнаруженным портам логические имена СОМ1, COM2, COM3 и COM4. Для PS/2 стандартными для портов СОМЗ-СОМ8 являются адреса 3220h, 3228h, 4220h, 4228h, 5220h и 5228h соответственно.
Используемая линия запроса прерывания: для СОМ1 и COM3 обычно используется IRQ4 или IRQ11, для COM2 и COM4 - IRQ3 или IRQ 10. В принципе номер прерывания можно назначать в произвольных сочетаниях с базовым адресом (номером порта), но некоторые программы и драйверы (например, драйверы последовательной мыши) настроены на стандартные сочетания. Каждому порту, нуждающемуся в аппаратном прерывании, назначают отдельную линию, не совпадающую с линиями запроса прерываний других устройств. Прерывания необходимы для портов, к которым подключаются устройства ввода, UPS или модемы. При подключении принтера или плоттера прерываниями пользуются только многозадачные ОС (не всегда), и этот дефицитный ресурс PC можно сэкономить. Также прерываниями обычно не пользуются при связи двух компьютеров нуль-модемным кабелем.
Канал DMA (для UART 16450/16550, расположенных на системной плате) - разрешение использования и номер канала DMA. Режим DMA при работе с СОМ-портами используют редко.

Режим работы порта по умолчанию (2400 бит/с, 7 бит данных, 1 стоп-бит и контроль четности), заданный при инициализации порта во время BIOS POST, может изменяться в любой момент при настройке коммуникационных программ или командой DOS MODECOMx: с указанием параметров.

2.5.4. Неисправности и тестирование СОМ-портов

Неполадки с СОМ-портами случаются (выявляются) при установке новых портов или неудачном подключении внешних устройств.

Проверка конфигурирования

Тестирование последовательных портов (как и параллельных) начинают с проверки их опознавания системой. Список адресов установленных портов обычно появляется в таблице, выводимой BIOS перед загрузкой ОС. Список можно посмотреть с помощью тестовых программ или прямо в BIOS Data AREA с помощью отладчика.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, вероятно, двум портам присвоен один адрес или установлен нестандартный адрес какого-либо порта. Проблемы могут возникать с адресами портов COM3 и COM4: не все версии BIOS будут искать порты по альтернативным адресам 3E0h, 338h, 2E0h и 238h; иногда не производится поиск по адресам 3E8h и 2E8h. Нумерация найденных портов, отображаемая в заставке, может вводить в заблуждение: если установлены два порта с адресами 3F8h и 3E8h, в заставке они могут называться СОМ1 и COM2, и по этим именам на них можно ссылаться. Однако те же порты в заставке могут называться и СОМ 1 и COM3 (поскольку 3E8h является штатным адресом для COM3), но попытка сослаться на порт COM3 будет неудачной, поскольку в данном случае адрес 3E8h будет находиться в ячейке 0:402h BIOS Data Area, соответствующей порту COM2, а в ячейке порта COM3 (0:404h) будет нуль - признак отсутствия такового порта.

"Объяснить" системе, где какой порт, можно вручную любым отладчиком, занеся правильные значения базовых адресов в ячейки BIOS Data Area (это придется делать каждый раз после перезагрузки ОС перед использованием "потерянного" порта). Существуют тестовые утилиты, позволяющие находить порты (например, Port Finder).

Если двум портам назначен один и тот же адрес, тестовая программа обнаружит ошибки порта только с использованием внешней заглушки (External LoopBack). Программное тестирование порта без заглушки не покажет ошибок, поскольку при этом включается диагностический режим (см. описание UART) и конфликтующие (по отдельности исправные) порты будут работать параллельно, обеспечивая совпадение считываемой информации. В реальной жизни нормальная работа конфликтующих портов невозможна. Разбираться с конфликтом адресов удобно, последовательно устанавливая порты и наблюдая за адресами, появляющимися в списке.

Если физически установлен только один порт и его не обнаруживает BIOS, причины те же, что с LPT- портом: либо он отключен при конфигурировании, либо вышел из строя. Неисправность может устраниться при вынимании/вставке платы адаптера в слот системной шины.

При работе с СОМ-портом задействуются соответствующие аппаратные прерывания - их используют при подключении модема, мыши и других устройств ввода. Неработоспособность этих устройств может быть вызвана некорректной настройкой запроса прерывания. Здесь возможны как конфликты с другими устройствами, так и несоответствие номера прерывания адресу порта.

Функциональное тестирование

В первом приближении СОМ-порт можно проверить диагностической программой (Checkit) без использования заглушек. Этот режим тестирования проверяет микросхему UART (внутренний диагностический режим) и вырабатывание прерываний, но не входные и выходные буферные микросхемы, которые являются более частыми источниками неприятностей. Если тест не проходит, причину следует искать или в конфликте адресов/прерываний, или в самой микросхеме UART.

Для более достоверного тестирования рекомендуется использовать внешнюю заглушку, подключаемую к разъему СОМ-порта (рис. 2.17). В отличие от LPT-порта у СОМ-порта количество входных сигналов превышает количество выходных, что позволяет выполнить полную проверку всех цепей. Заглушка соединяет выход приемника со входом передатчика. Обязательная для всех схем заглушек перемычка RTS- CTS позволяет работать передатчику - без нее символы не смогут передаваться. Выходной сигнал DTR обычно используют для проверки входных линий DSR, DCD и RI.

Рис. 2.17. Заглушка для проверки СОМ-портов (LoopBack)

Если тест с внешней заглушкой не проходит, причину следует искать во внешних буферах, их питании или в шлейфах подключения внешних разъемов. Здесь может помочь осциллограф или вольтметр. Последовательность проверки может быть следующей:

Проверить наличие двуполярного питания выходных схем передатчиков (этот шаг логически первый, но поскольку он технически самый сложный, его можно отложить на крайний случай, когда появится желание заменить буферные микросхемы).
Проверить напряжение на выходах TD, RTS и DTR: после аппаратного сброса на выходе TD должен быть отрицательный потенциал около -12 В (по крайней мере ниже -5 В), а на выходах RTS и DTR - такой же положительный. Если этих потенциалов нет, возможна ошибка подключения разъема к плате через шлейф.

Распространенные варианты:

шлейф не подключен;
шлейф подключен неправильно (разъем перевернут или вставлен со смещением);
раскладка шлейфа не соответствует разъему платы.

Первые два варианта проверяются при внимательном осмотре, третий же может потребовать некоторых усилий. В табл. 2.1 приведены три варианта раскладки 10-проводного шлейфа разъема СОМ-порта, известных автору; для СОМ-портов на системных платах возможно существование и других. Теоретически шлейф должен поставляться в соответствии с разъемом платы, на которой расположен порт.

Если дело в ошибочной раскладке, то эти три выходных сигнала удастся обнаружить на других контактах разъемов (на входных контактах потенциал совсем небольшой). Если эти сигналы обнаружить не удалось, очевидно, вышли из строя буферные формирователи.

Соединив контакты линий RTS и CTS (или установив заглушку), следует попытаться вывести небольшой файл на СОМ-порт (например, командой COPYC:\AUTOEXEC. BAT СОМ 7;). С исправным портом эта команда успешно выполнится за несколько секунд с сообщением об успешном копировании. При этом потенциалы на выходах RTS и DTR должны измениться на отрицательные, а на выходе TD должна появиться пачка двуполярных импульсов с амплитудой более 5 В. Если потенциалы RTS и DTR не изменились, ошибка в буферных формирователях. Если на выходе RTS (и входе CTS) появился отрицательный потенциал, а команда COPY завершается с ошибкой, скорее всего, вышел из строя приемник линии CTS (или опять-таки ошибка в шлейфе). Если команда COPY успешно проходит, а изменения на выходе TD не обнаруживаются (их можно увидеть стрелочным вольтметром, но оценить амплитуду импульсов не удастся), виноват буферный передатчик сигнала TD.

Замена микросхем приемников и передатчиков существенно облегчается, если они установлены на разъёмах. Перед заменой следует с помощью осциллографа или вольтметра удостовериться в неисправности конкретной микросхемы. Расположение выводов микросхем приведено на рис. 2.6.

Если буферные элементы включены в состав интерфейсной БИС (что теперь весьма распространено), то такой порт ремонту не подлежит (по крайней мере в обычных условиях). Неисправный СОМ-порт, установленный на системной плате, можно попытаться отключить в BIOS SETUP, но порт мог сгореть и вместе со схемой своего отключения - тогда он останется "живым мертвецом" в карте портов ввода/ вывода и прерываний. Иногда он полностью выводит из строя системную плату.

Источниками ошибок могут являться разъемы и кабели. В разъемах встречаются плохие контакты, а кабели кроме возможных обрывов могут иметь плохие . Частотные свойства кабелей обычно сказываются при большой длине (десятки метров) на высоких скоростях обмена (56 или 115 Кбит/с). При необходимости использования длинных кабелей на высоких скоростях сигнальные провода данных должны быть перевиты с отдельными проводами "схемной земли".

Питание от интерфейса, или Почему может не работать мышь

При подключении к СОМ-порту устройств с небольшим энергопотреблением возникает соблазн использования питания от выходных линий интерфейса. Если линии управления DTR и RTS не используются по прямому назначению, их можно задействовать как питающие с напряжением около 12 В. Ток короткого замыкания на "схемную землю" ограничен буферной микросхемой передатчика на уровне 20 мА. При инициализации порта эти линии переходят в состояние "выключено", то есть вырабатывают положительное напряжение. Линия TD в покое находится в состоянии логической единицы, так что на выходе вырабатывается отрицательное напряжение. Потенциалами линий можно управлять через регистры СОМ-порта (выход TD вырабатывает положительное напряжение, если установить бит BRCON).

Двуполярным питанием от линий интерфейса (+V от DTR и RTS, -V от TD) пользуются все манипуляторы, подключаемые к СОМ-портам. Зная это, в случае неработоспособности мыши с данным портом следует проверить напряжения на соответствующих контактах разъема. Бывает, что с конкретным портом не работает только конкретная мышь (модель или экземпляр), хотя другие мыши с этим портом и эти же мыши с другими портами работают нормально. Здесь дело может быть в уровнях напряжений. Стандарт требует от порта выходного напряжения не менее 5 В (абсолютного значения), и, если данный порт обеспечивает только этот минимум, некоторым мышам не хватит мощности для питания светодиодов (главных потребителей энергии).

Порт получает двуполярное питание через системную плату от блока питания компьютера. Отсутствие на выходе блока питания напряжения +12 В обычно обнаружится по неработоспособности дисков. Отсутствие напряжения -12 В "заметят" только устройства, подключенные к СОМ - портам. Блок питания теоретически контролирует наличие этих напряжений на своем выходе (сообщая о неполадках сигналом Power Good, вызывающим аппаратный сброс). Встречаются упрощенные схемы блоков питания, у которых контролируются не все напряжения. Кроме того, возможны плохие контакты в разъеме подключения питания к системной плате.

2.5.5. Функции BIOS для СОМ-портов

В процессе начального тестирования POST BIOS проверяет наличие последовательных портов (регистров UART 8250 или совместимых) по стандартным адресам и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS Data Area 0:0400, 0402, 0404, 0406. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами СОМ 1-COM4. Нулевое значение адреса является признаком отсутствия порта с данным номером. В ячейки 0:047С, 047D, 047Е, 047F заносятся константы, задающие тайм-аут для портов.

Обнаруженные порты инициализируются на скорость обмена 2400 бит/с, 7 бит данных с контролем на четность (even), 1 стоп-бит. Управляющие сигналы интерфейса DTR и RTS переводятся в исходное состояние ("выключено" - положительное напряжение).

Порты поддерживаются сервисом BIOS INT 14h, который обеспечивает следующие функции:

00h - инициализация (установка скорости обмена и формата посылок, заданных регистром AL ; запрет источников прерываний). На сигналы DTR и RTS влияния не оказывает (после аппаратного сброса они пассивны).
0lh - вывод символа из регистра AL (без аппаратных прерываний). Активируются сигналы DTR и RTS, и после освобождения регистра THR в него помещается выводимый символ. Если за заданное время регистр не освобождается, фиксируется ошибка тайм-аута и функция завершается.
02h - ввод символа (без аппаратных прерываний). Активируется только сигнал DTR (RTS переходит в пассивное состояние), и ожидается готовность принятых данных, принятый символ помещается в регистр AL. Если за заданное время данные не получены, функция завершается с ошибкой тайм-аута.
03h - опрос состояния модема и линии (чтение регистров MSR и LSR). Эту гарантированно быструю функцию обычно вызывают перед функциями ввода/вывода во избежание риска ожидания тайм-аута.

При вызове INT 14h номер функции задается в регистре АН, номер порта (0-3) - в регистре DX(0 - СОМ 1, 1 - COM2 ...). При возврате из функций 0,1 и 3 регистр АН содержит байт состояния линии (регистр LSR), AL - байт состояния модема (MSR). При возврате из функции 2 нулевое значение бита 7 регистра АН указывает на наличие принятого символа в регистре AL", ненулевое значение бита 7 - на ошибку приема, которую можно уточнить функцией 3.

Формат байта состояния линии (регистр АН):

Бит 7 - ошибка тайм-аута (после вызова функции 2 - признак любой ошибки).
Бит 6 - регистр сдвига передатчика пуст (пауза передачи).
Бит 5 - промежуточный регистр передатчика пуст (готов принять символ для передачи).
Бит 4 - обнаружен обрыв линии.
Бит 3 - ошибка кадра (отсутствие стоп-бита).
Бит 2 - ошибка паритета принятого символа.
Бит 1 - переполнение (потеря символа).
Бит 0 - регистр данных содержит принятый символ.

Формат байта состояния модема (регистр AL):

Бит 7 - состояние линии DCD.
Бит 6 - состояние линии RI.
Бит 5 - состояние линии DSR.
Бит 4 - состояние линии CTS.
Бит 3 - изменение состояния DCD.
Бит 2 - изменение огибающей RI.
Бит 1 - изменение состояния DSR.
Бит 0 - изменение состояния CTS.

Формат регистра AL при инициализации:

Биты - скорость обмена:

000-110; 010-300; 100-1200; 110-4800,
001-150; 011-600; 101-2400; 111-9600 бит/с.

Биты - контроль паритета:

01 - число единиц нечетное,
11 -четное,
00 и 10 - без контроля.

Бит 2 - количество стоп-бит:

0-1 бит,
1-2 бита (на скорости 110 бит/с - 1,5 стоп-бита).

Биты - длина посылки:

00-5 бит,
01-6 бит,
10-7 бит,
11-8 бит.

2.5.6. СОМ-порт и РпР

Современные ПУ, подключаемые к СОМ-порту, могут поддерживать спецификацию РпР. Основная задача ОС заключается в идентификации подключенного устройства, для чего разработан несложный протокол, реализуемый на любых СОМ-портах чисто программным способом (рис. 2.18):

Рис. 2.18. Запрос идентификатора устройства РпР

Порт инициализируется с состоянием линий DTR=OA/, RTS=OFF, TXD=Mark - состояние покоя (Idle).
Некоторое время (0,2 с) ожидается появление сигнала DSR, которое указало бы на наличие устройства, подключенного к порту. В простейшем случае устройство имеет на разъеме перемычку DTR-DSR, обеспечивающую указанный ответ. Если устройство обнаружено, выполняются манипуляции управляющими сигналами DTR и RTS для получения информации от устройства. Если ответ не получен, ОС, поддерживающая динамическое реконфигурирование, периодически опрашивает состояние порта для обнаружения новых устройств.
Порт программируется на режим 1200 бит/с, 7 бит данных, без паритета, 1 стоп-бит, и на 0,2 с снимается сигнал DTR. После этого устанавливается DTR=1, а еще через 0,2 с устанавливается и RTS=1.
В течение 0,2 с ожидается приход первого символа от устройства. По приходе символа начинается прием идентификатора (см. ниже). Если за это время символ не пришел (рис. 2.18), выполняется вторая попытка опроса (см. п. 5), несколько отличающаяся от первой.
На 0,2 с снимаются оба сигнала (DTR=0 и RTS=0), после чего они оба устанавливаются (DTR=1 и RTS=1).
В течение 0,2 с ожидается приход первого символа от устройства, по приходе символа начинается прием идентификатора (см. ниже). Если за это время символ не пришел, то в зависимости от состояния сигнала DSR переходят к проверке отключения Verify Disconnect (при DSR^O) или в дежурное состояние Connect Idle (при DSR=1).
В дежурном состоянии Connect Idle устанавливается DTR=1, RTS=0, порт программируется на режим 300 бит/с, 7 бит данных, без паритета, 1 стоп-бит. Если в этом состоянии обнаружится DSR=0, ОС следует уведомить об отключении устройства.

Посимвольный прием идентификатора устройства имеет ограничения по тайм-ауту в 0,2 с на символ, а также общее ограничение в 2,2 с, позволяющее принять строку длиной до 256 символов. Строка идентификатора РпР должна иметь маркеры начала (28h или 08h) и конца (29h или 09h), между которыми располагается тело идентификатора в стандартизованном формате. Перед маркером начала может находиться до 16 символов, не относящихся к идентификатору РпР. Если за первые 0,2 с ожидания символа (шаг 4 или 6) маркер начала не пришел, или же сработал тайм-аут, а маркер конца не получен, или же какой-либо символ принят с ошибкой, происходит переход в состояние Connect Idle. Если получена корректная строка идентификатора, она передается ОС.

Для проверки отключения (Verify Disconnect) устанавливается DTR=1, RTS=0 и через 5 с проверяется состояние сигнала DSR. При DSR=1 происходит переход в состояние Connect Idle (см. п. 7), при DSR^O происходит переход в состояние Disconnect Idle, в котором система может периодически опрашивать сигнал DSR для обнаружения подключения устройства.

Описанный механизм разрабатывался фирмой Microsoft с учетом совместимости с не-РпР-устройствами - невозможность их вывода из строя и устойчивость системы к сообщениям, не являющимся РпР- идентификаторами. Например, обычная Microsoft Mouse при включении питания от интерфейса ответит ASCII-символом "М" (трехкнопочная - строкой "МЗ").

Тематические материалы: