Standardy interfejsu
szeregowego
Kamil Świątek Informatyka I
Czym jest interfejs ?
Najprościej mówiąc jest to połączenie między systemami, które pomaga w realizacji złożonych zadań przez:
- koordynację
- sterowanie pracą urządzeń do nich dołączonych
- wymianę danych miedzy systemami
Warunki standardu interfejsu :
- zgodność mechaniczna i konstrukcyjna gniazd przyłączeniowych i rozmieszczenie sygnałów w gnieździe,
- zgodność parametrów elektrycznych sygnałów,
- zgodność stosowania kodów i protokołów komunikacyjnych,
- zgodność metod transmisji danych.
Porównanie różnych interfejsów
Standard interfejsu szeregowego
Standard RS 232C został opracowany na potrzeby obsługi modemów przez amerykańskie stowarzyszenie Electronic Industries Association - EIA. Standard ten został później przyjęty w Europie przez komitet normalizacyjny CCITT i otrzymał oznaczenie V24. W PC-tach stał się on standardem łącza szeregowego. System operacyjny nadaje łączom szeregowym nazwy COMn (n - numer łącza). Oprócz obsługi modemów, umożliwia przykładowo podłączenie takich urządzeń jak mysz czy drukarkę. Przy użyciu gniazd RS 232C możemy połączyć ze sobą dwa komputery, co umożliwia transmisję informacji pomiędzy nimi. Interfejs RS 232 C realizuje transmisję szeregową asynchroniczną (tak zwaną transmisję startowo-stopową).
Sposób transmisji w RS 232C
Transmisja odbywa się szeregowo asynchronicznie, jest przesyłana w paczkach pakietów o określonym odgórnie formacie. Wyposażone są w sygnały początku i końca paczki.
Czas trwania pojedynczego bitu nazywany jest odstępem jednostkowym. Prędkości jakie są dostępne podczas transmisji wynoszą:
- 300 b/s, 1200 b/s, 2400 b/s, 9600 b/s, 14400 b/s, 28800 b/s, 56600 b/s.
Opcjonalny bit kontroli transmisji może pracować według jednej z dwóch zasad: kontrola parzystości (even parity) lub kontrola nieparzystości (odd parity).
Transmisja inicjowana jest od bitu startu i jest to przeważnie "0", zakończeniem jest jeden lub dwa bity stopu "1" logiczna.
Parametry elektryczne RS 232C
Zastosowane napięcie przy poziomach logicznych interfejsu różni się od tego, które panuje wewnątrz komputera. Jest wyższe i o różnym znaku.
-
Napięcia na liniach danych:
od -15V do -3V : 1 logiczna
od 3V do 15 V: 0 logiczne
-
Napięcia na liniach sterujących:
od -15V do -3V : 0 logiczne
od 3V do 15 V: 1 logiczna
Zastosowanie większych wartości napięć spowodowało zwiększenie odporności sygnału przez co stal się bardziej odporny na zakłócenia i pozwoliło to na przesyłanie danych na dalsze odległości.
Sygnały sterujące interfejsu RS 232C
Terminologia stosowana do opisu tego zagadnienia związana jest z transmisją informacji pomiędzy komputerami przy użyciu modemów i sieci telekomunikacyjnej. W takiej transmisji wyróżnia się dwa rodzaje urządzeń:
- urządzenia typu DTE (Data Terminal Equipment), będące ostatecznymi nadawcami lub odbiorcami, przykładem takiego typu urządzenia jest komputer (złącza "męskie"),
- urządzenia typu DCE (Data Communication Equipment), które przekazują informacje do sieci telekomunikacyjnej, odbierają od urządzenia DTE lub odwrotnie, przykładem takiego typu urządzenia jest modem (złącza "żeńskie").
Złącza interfejsu RS 232C
-
Złączę szufladkowe 9-stykowe typ DB-9, zostały wyprowadzone tylko najważniejsze sygnały, odpowiedzialne za asynchroniczną transmisję metodą start-stop.
Złączę męskie Złączę żeńskie
Złącza interfejsu RS 232C
- Najczęściej stosowanym złączem jest szufladkowe złącze typu DB-25, które składa się z 25 stykowego złącza.
Złącze DB-25 męskie i żeńskie
Grupy linii RS 232C
- Linie danych,
- Linie sterujące,
- Linie synchronizacji,
- Linie masy.
Opis oznaczeń
- DSR - sygnał gotowości urządzenia DCE. Oznacza, że urządzenie DCE, np. modem jest włączony i sprawny,
- DTR - sygnał gotowości urządzenia DTE. Oznacza włączenie i gotowość operacyjną tego urządzenia,
- RTS - sygnalizuje chęć przekazania przez DTE do DCE informacji, chęć rozpoczęcia transmisji,
- CTS - po otrzymaniu przez DCE sygnału zachęty do rozpoczęcia transmisji, odpowiada aktywnym poziomem na ten sygnał,
- DCD - sygnał wykrycia przez modem fali nośnej modemu odległego. Informuje o nawiązaniu połączenia z modemem odległym,
- RI - sygnalizuje probe nawiązania połączenia przez modem odległy.
Linie danych
Do dwukierunkowego przesyłania danych przeznaczone sa 4 linie. TxD i RxD tworzą kanał podstawowy, natomiast STxD i SRxD kanał powrotny, który nie jest wykorzystywany przy współpracy bezpośredniej komputer-terminal.
TxD - dane nadawane. Linia wykorzystywana jest do przesyłania danych przez DTE. W odstępach przesyłania danych linia jest w stanie logicznym "1". Transmisja odbywa się wówczas, gdy sygnały CTS,DSR,DTR i RTS są aktywne.
RxD - dane odbierane. Linia wykorzystywana jest do przesyłania danych przez DCE. Powinna być w stanie logicznym "1", gdy DCD jest w stanie pasywnym.
Linie sterujące
- DSR(6) - gotowość DCE. Stan aktywny oznacza gotowość
DCE do współpracy, tzn. gotowość do wymiany dalszych sygnałów sterujących w
celu dokonania transmisji danych. Nie oznacza to jednak, że istnieje gotowy
zbiór danych, które DCE chce przesłać do DTE. Jest to jedynie informacja o
braku przeszkody do transmisji (nie zaistniał żaden defekt).
- DTR(4) - gotowość DTE. Stan aktywny oznacza gotowość
DTE do współpracy z DCE, rozumianej podobnie jak dla linii DSR.
-
RTS(7) - żądanie nadawania. Stan aktywny tej linii
oznacza, że DTE zgłasza do DCE żądanie wysyłania danych. Powoduje to załączenie
przez DCE sygnału CTS. Dane nie mogą być przesyłane, jeśli nie została aktywnie
ustawiona linia CTS. Po przejściu sygnału RTS w stan pasywny nie powinien on
zostać powtórnie załączony, dopóki DCE nie wycofa aktywnego sygnału CTS.
Linie sterujące c.d
-
CTS (5) - Gotowość do nadawania. Za pomocą tej linii
DCE może zgłaszać do DTE swoją gotowość do odbioru danych z DTE. Przy
bezpośredniej współpracy terminal-komputer stan aktywny tej linii oznacza
gotowość komputera do przyjmowania danych, a przy pracy z modemem - gotowość do
nadawania przez DCE informacji do odległego urządzenia DCE.
- DCD (8) - poziom sygnału odbieranego. Linia ta jest wykorzystywana zasadniczo tylko przy współpracy z modemem. Stan aktywny jest generowany przez modem (DCE) i przekazywany do DTE w przypadku odebrania przez modem poprawnego sygnału częstotliwości nośnej z kanału transmisyjnego, co oznacza, że sygnał odbierany z tego kanału przez DCE znajduje się w zakresie wartości prawidłowych. Przy współpracy komputera z terminalem (urządzeniem) może jednak zachodzić konieczność załączenia stanu aktywnego na tej linii.
Linie sterujące c.d
Pozostałe linie sterujące nie są w zasadzie
wykorzystywane w systemach pomiarowych. Dotyczą one wyboru szybkości transmisji
przez DTE lub DCE (CH/CI) oraz wskaźnika wywołania RI.
- CH/CI (23) - wybór szybkości transmisji. Linia CH/CI
służy do wyboru prędkości transmisji między dwiema szybkościami, które mogą być
dostępne w przypadku transmisji synchronicznej lub dwoma zestawami prędkości,
które mogą być dostępne w przypadku transmisji asynchronicznej. Linia ta może
być sterowana albo przez DTE albo przez DCE. DCE może określać szybkość
transmisji DTE, natomiast DTE - szybkość transmisji (nadawania i odbioru)
realizowanej przez DCE. Jeśli źródłem sygnału jest DTE, a odbiorcą DCE, to
linia nosi nazwę CH; w przeciwnym przypadku - CI. Stan aktywny sygnału oznacza
wybój większej z dwu dostępnych prędkości lub większego z dwu dostępnych
zestawów.
- RI (22) - wskaźnik wywołania. Za pomocą tej linii DCE może informować DTE o tym, czy odbiera sygnał z oddalonego DCE.
Linie sterujące
Przesyłanie informacji po liniach danych może być realizowane asynchronicznie lub synchronicznie. Przy transmisji synchronicznej wykorzystuje się linie podstawy czasu, którymi przesyłane są tzw. sygnały zegarowe.
Na złączu 25-stykowym występują trzy linie tego typu, oznaczone jako:
-
DA (24) -
podstawa czasu z DTE (sterowana przez DTE) dla elementów nadawanych,
-
DB (25) - podstawa
czasu z DCE (sterowana przez DCE) dla elementów nadawanych,
-
DD (17) -
elementowa podstawa czasu wytwarzana w DCE (sterowana przez DCE).
Linie te umożliwiają:
-
nadawanie przez
DTE danych linią TxD w rytmie własnego zegara (z wykorzystaniem linii
DA),
-
nadawanie przez
DTE danych linią TxD w rytmie zegara pochodzącego z DCE, (linia DB)
-
odbieranie przez
DTE danych z linii RxD w rytmie zegara DCE (z wykorzystaniem linii
DD)
Linie masy
W interfejsie RS-232C rozróżnia się dwie masy:
-
PG (1 ) - masa
ochronna; zabezpieczającą (Protective Ground), łączoną z obudową
urządzenia
-
SG (7) - masa
sygnałowa; (Signal Ground) stanowiącą odniesienie dla wszystkich pozostałych
sygnałów interfejsu
Tryby pracy
- Simpleks - transmisja w jednym kierunku
- Półdupleks - transmisja w obu kierunkach, w sposób przemienny,
- Dupleks - transmisja w obu kierunkach jednocześnie.
Standard USB
Universal Serial Bus - interfejs stworzony w celu poprawy problemów, które miały miejsce w starszych standardach transmisji danych.
Zaletami tego standardu są m.in.
- jeden typ konektora niezależnie od dołączonego urządzenia
- używa tylko jednego sygnału zgłoszenia przerwania i potrzebuje zakresu adresów z przestrzeni adresowej układów WE/WY dla głównego kontrolera USB,
- istnieje możliwość dołączenia 127 urządzeń,
- instalacja urządzenia odbywa się metoda plug and play,
- zasilanie urządzeń kablem USB,
- standardowy interfejs w komputerach do obsługi urządzeń peryferyjnych,
- zastosowano mechanizm wykrywania i obsługi błędów.
Standardy obecnie
- USB 1.1 stosunkowo wolne, teoretyczna prędkość maksymalna wynosi 12 megabitów na sekundę (ok. 1,5 megabajta na sekundę). Maksymalnej prędkości nie da się jednak osiągnąć. Na wyposażeniu komputerów z przed roku 2002.
- USB 2.0 prędkość w przypadku tego standardu wynosi 480 megabitów (ok. 60 megabajtów na sekundę). Na wyposażeniu komputerów od roku 2003.
- USB 3.0 może pracować z prędkością do 5Gbit/s (640MB/s). Można uzyskać maksymalny transfer 400MB/s. Jego okablowanie jest podobne do poprzedników z tym, że wykorzystuje dodatkowo 2 pary kabli ekranowanych w full-dupleksie.
Jak wygląda wtyk USB
Typy transmisji na USB
- Transmisja z przerwaniem - ten typ transmisji używany jest w przypadku urządzeń, które do komunikacji z systemem używają przerwań. USB nie obsługuje przerwań sprzętowych w związku z czym muszą być sprawdzane czy nie mają danych do przekazania. Taki proces nazywa się przepytywaniem. Częstotliwość jest dobierana w taki sposób, aby zapewnić poprawność działania.
- Transmisja blokowa - przeznaczona dla urządzeń przesyłających duże bloki informacji lecz są one nieokresowe czasowo. Przykładem może być tu komunikacja z drukarką.
- Transmisja izosynchroniczna - przeznaczona jest dla urządzeń, które wymagają ciągłego dopływu lub odbioru informacji z określona częstotliwością. Takie urządzenia pracują najczęściej w czasie rzeczywistym. Informacje pomiędzy adapterem dźwiękowym USB a systemem wykorzystują taką właśnie transmisję.
- Transmisja sterująca - jest używana do komunikacji z urządzeniami USB, najczęściej podczas konfiguracji.
Składniki USB
Część sprzętowa:
- główny kontroler/koncentrator,
- koncentratory USB
- urządzenia USB.
Składniki oprogramowania:
- sterownik urządzenia USB,
- sterownik USB,
- sterownik głównego kontrolera USB
Zadania oprogramowania:
Sterownik USB - kompletuje informacje o wymaganiach poszczególnych urządzeń dołączonych do USB, a także informacje dotyczące zasobów systemowych i szybkości transmisji.
Sterownik urządzeń USB - są częścią oprogramowania komunikującą się z jednej strony bezpośrednio z urządzeniem USB, a z drugiej przekazującą żądania transmisji generowane przez te urządzenia do sterownika USB. Żądania te przekazywane są w postaci tak zwanych pakietów IRP.
Sterownik głównego kontrolera USB - decyduje o kolejności umieszczania transakcji dotyczących określonych urządzeń w pakietach i nadzoruje realizację transmisji.
Sposób działania transmisji
Transmisja odbywa się przy wykorzystaniu dwóch przewodów Dane+ i Dane-. Natomiast do przesyłania zasilania dwie linie zwykłe oznaczane VBus i GND. USB zasilane jest napięciem 5V i pobiera 0,5A. Magistralą dostarczane jest zasilanie dla urządzeń bezpośrednio do niej dołączonych. Dane są dzielone na pakiety i kodowane metodą Non Return To Zero Inverted. Jest to kod samo synchronizujący i nie trzeba przesyłać oddzielnie impulsów zegarowych.
Kodowanie NRZI
Literatura :
- dr inż. Jacek Florek : Wykład "Podstawowe Interfejsy Systemu Komputerowego" z przedmiotu Architektura Systemów Komputerowych ;
- Wojtuszkiewicz Krzysztof : Urządzenia techniki komputerowej. Cz.2, Urządzenia peryferyjne i interfejsy ;
- Skorupski Andrzej : Podstawy budowy i działania komputerów.
Dziękuję za uwagę ;)
Standardy interfejsu szeregowego
By Kamil Swiatek
