3.9.1.4 Формат последовательной передачи данных

Поскольку данные обычно представлены на шине микропроцессора в параллельной форме (байтами, словами), их последовательный ввод-вывод оказывается несколько сложным. Для последовательного ввода потребуется средства преобразования последовательных входных данных в параллельные данные, которые можно поместить на шину. С другой стороны, для последовательного вывода необходимы средства преобразования параллельных данных, представленных на шине, в последовательные выходные данные. В первом случае преобразование осуществляется регистром сдвига с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO), а во втором – регистром сдвига с параллельным входом и последовательным выходом (PISO). Оба регистра обычно входят в состав приемопередатчика USART.

Рис. 93. Так выглядит на экране осциллографа последовательная передача данных по интерфейсу RS-232.

Последовательные данные передаются в синхронном или асинхронном режимах. В синхронном режиме все передачи осуществляются под управлением общего сигнала синхронизации, который должен присутствовать на обоих концах линии связи. Асинхронная передача подразумевает передачу данных пакетами; каждый пакет содержит необходимую информацию, требующуюся для декодирования содержащихся в нем данных. Конечно, второй режим сложнее, но у него есть серьезное преимущество: не нужен отдельный сигнал синхронизации.

В асинхронном режиме посылке очередного байта информации предшествует специальный старт-бит, сигнализирующий о начале передачи (обычно логический «0»). Затем следуют биты данных (их обычно 8), за которыми может следовать дополнительный бит (его наличие зависит от режима передачи, обычно этот бит выполняет функцию контроля четности). Завершается посылка стоп-битом (логическая «1»), длина которого (длительность единичного состояния линии) может соответствовать длительности передачи 1, 1.5 («полтора стоп-бита») или 2 бита (см. рис. выше). Стоп-бит гарантирует некоторую выдержку между соседними посылками, при этом пауза между ними может быть сколь угодно долгой (без учета понятия «тайм-аута»).

Контроль четности

Контроль четности может быть использован для обнаружения ошибок при передаче данных. При использовании контроля четности посылаются сообщения, подсчитывающие число единиц в группе бит данных. В зависимости от результата устанавливается бит четности. Приемное устройство также подсчитывает число единиц и затем сверяет бит четности. Для обеспечения контроля четности компьютер и устройство должны одинаково производить подсчет бита четности, т.е. определиться устанавливать бит при четном (even) или нечетном (odd) числе единиц. При контроле на четность биты данных и бит четности всегда должны содержать четное число единиц. В противоположном случае выполняется контрол на нечетность. Часто в драйверах UART RS-232 реализуются еще две опции на четность: Mark и Space. Эти опции не влияют на возможность контроля ошибок: Mark означает, что устройство всегда устанавливает бит четности в 1, а Space – всегда в 0.

Обнаружение ошибок

Проверка на четность – это простейший способ обнаружения ошибок. Он может определить возникновение ошибок в одном бите, но при наличии ошибок в двух битах уже не заметит ошибок. Также такой контроль не отвечает на вопрос, какой бит ошибочный. Другой механизм проверки включает в себя старт- и стоп-биты, циклические проверки на избыточность, которые часто применяются в соединениях Modbus.

Рассмотрим пример. В этом примере показана структура передаваемых данных со синхронизирующим тактовым сигналом. В этом примере используется 8 бит данных, бит четности и стоп-бит. Такая структура также обозначается 8Е1.

Рис. 94. Фомат передачи данных по интерфейсу RS-232.

Примечание: тактовый сигнал используется для асинхронной передачи (это внутренний сигнал UART).

Старт-бит

Сигнальная линия может находиться в двух состояниях: включена и выключена. Линия в состоянии ожидания всегда включена. Когда устройство или компьютер хотят передать данные, они переводят линию в состояние выключено – это установка старт-бита. Биты сразу после старт-бита являются битами данных.

Стоп-бит

Стоп-бит позволяет устройству или компьютеру произвести синхронизацию при возникновении сбоев. Например, помеха на линии скрыла старт-бит. Период между старт- и стоп-битами постоянен согласно значению скорости обмена, числу бит данных и бита четности. Стоп-бит всегда включен. Если приемник определяет выключенное состояние, когда должен присутствовать стоп-бит, фиксируется появление ошибки. Стоп-бит не просто один бит минимального интервала времени в конце каждой передачи данных. На компьютерах обычно он эквивалентен 1 или 2 битам, и это должно учитываться в программе драйвера. Хотя, 1 стоп-бит наиболее общий, выбор 2 бит в худшем случае немного замедлит передачу сообщения.

Есть возможность установки значения стоп бита равным 1,5. Это используется при передаче менее 7 битов данных. В этом случае не могут быть переданы символы ASCII, и поэтому значение 1,5 используется редко.