Последовательный интерфейс — СОМ-порт

Универсальный внешний последовательный интерфейс — СОМ-порт (Com­munications Port — коммуникационный порт) присутствует в PC начиная с пер­вых моделей. Этот порт обеспечивает асинхронный¹ обмен по стандарту RS-232C. СОМ-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемо­передатчиков. (UART), совместимых с семейством i8250/16450/16550. Они зани­мают в пространстве ввода-вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут рас­полагаться по стандартным базовым адресам 3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4). Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ4 (обычно используются для СОМ1 и COM3) и IRQ3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и при­ема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандар­ту RS-232C. СОМ-порты имеют внешние разъемы-вгшсм (male — «папа») DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера (см. п. 2.1). Характерной особенностью интерфейса является применение «не ТТЛ» сигналов — все внеш­ние сигналы порта двуполярные. Гальваническая развязка отсутствует — схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Скорость передачи данных может достигать 115 200 бит/с.

Компьютер может иметь до четырех последовательных портов СОМ 1-COM4 (для машин класса AT типично наличие двух портов) с поддержкой на уровне BIOS. Сервис BIOS Int 14h обеспечивает инициализацию порта, ввод и вывод символа (не используя прерываний) и опрос состояния. Через Int 14h скорость передачи программируется в диапазоне 110-9600 бит/с (меньше, чем реальные возможно­сти порта). Для повышения производительности широко используется взаимодей­ствие программ с портом на уровне регистров, для чего требуется совместимость аппаратных средств СОМ-порта с программной моделью 18250/16450/16550.

Название порта указывает на его основное назначение — подключение коммуника­ционного оборудования (например, модема) для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подклю­чаться и периферийные устройств с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и другие. СОМ-порт широко используется для подклю­чения мыши, а также организации непосредственной связи двух компьютеров. К СОМ-порту подключают и электронные ключи.

Синхронный обмен в PC поддерживают лишь специальные адаптеры, например SDLC или V.35.

Практически все современные системные платы (еще начиная с PCI-плат для про­цессоров 486) имеют встроенные адаптеры двух СОМ-портов. Один из портов может использоваться и для беспроводной инфракрасной связи с периферийны­ми устройствами (IrDA). Существуют карты ISA с парой СОМ-портов, где они чаще всего соседствуют с LPT-портом, а также с контроллерами дисковых интер­фейсов (FDC+IDE). Если возникает потребность в большом количестве последо­вательных интерфейсов, то в ПК можно установить специальные адаптеры-муль­типлексоры. Это весьма дорогие карты, они выпускаются обычно на 4,8,12 и даже 16 портов. Такое большое число разъемов на заднюю стенку ПК вывести пробле­матично, и у мультиплексоров обычно имеется внешний блок с разъемами (и элек­троникой), соединяемый с адаптером кабелем с многоконтактными разъемами. BIOS мультиплексоры не поддерживает.

«Классический» СОМ-порт позволял осуществлять обмен данными только про­граммно-управляемым способом, при этом для пересылки каждого байта процессору приходится выполнять несколько инструкций. Современные порты имеют FIFO-буферы данных и позволяют выполнять обмен по каналу DMA, существенно разгру­жая центральный процессор, что особенно важно на больших скоростях обмена.

Интерфейс RS-232C

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные ( 00Д — 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. 2.1; интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АКД, соеди­нив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем

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

Стандарт RS-232C описывает несимметричные передатчики и приемники — сиг­нал передается относительно общего провода — схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах — например, RS-422). Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логиче­ской единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне от -12 до -3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включе­но»), для линий последовательных данных — MARK. Логическому нулю соответ­ствует диапазон от +3 до +12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF («выключено»), а для линий последовательных данных — SPACE. Диапазон от -3 до +3 В — зона нечувствительности, обусловливающая гистере­зис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пере­сечения порога (рис. 2.3). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от -12 до -5 В и от +5 до +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.

ВНИМАНИЕ---------------------------------------------------------------------------------

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

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов.

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

На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки DB-25S или DB-9S.

Это правило предполагает, что разъемы АКД могут подключаться к разъемам АПД непосредственно или через переходные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены «один в один». Переходные кабели могут являться и переходниками с 9 на 25-штырьковые разъемы (рис. 2.4).

Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem, или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестно по одной из схем, приведенных на рис. 2.5.

Интерфейс RS-232C

51

Рис. 2.3. Прием сигналов RS-232C

Рис. 2.4. Кабели подключения модемов

а б

Рис. 2.5. Нуль-модемный кабель: а — минимальный, б — полный

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка — это почти 100 % того, что к другому устройству оно должно подключаться прямым кабелем, ана­логичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмот­рено.

В табл. 2.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных АПД). Контакты разъема DB-25S определе­ны стандартом EIA/TIA-232-E, разъем DB-9S описан стандартом EIA/TIA-574. У модемов (АКД) название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Таблица 2.1. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C

Обозначение цепи	Контакт	№ провода кабеля	Направление
			разъема	выносного разъема PC
СОМ-	RS-	V.24	DB-	DB-	11	2х	З3	Л*	I/O
порт	232	Стык 2	25Р	9Р
PG	АА	101	1	5	(10)	(10)	(10)	1	-
SG	АВ	102	7	5	5	9	1	13	-
TD	ВА	103	2	3	3	5	3	3	О
RD	ВВ	104	3	2	2	3	4	5	I
RTS	СА	105 .	4	7	7	4	8	7	О
CTS	СВ	106	5	8	8	6	7	9	I
DSR	СС	107	6	6	6	2	9	11	I
DTR	CD	108/2	20	4	4	7	2	14	О
DCD	CF	109	8	1	1	1	5	15	I
RI	СЕ	125	22	9	9	8	6	18	I

¹ Ленточный кабель 8-битных мультикарт.

² Ленточный кабель 16-битных мультикарт и портов на системных платах.

³ Вариант ленточного кабеля портов на системных платах.

⁴ Широкий ленточный кабель к 25-контактному разъему.

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмот­рим с точки зрения СОМ-порта PC. Для удобства будем пользоваться мнемони­кой названий, принятой в описаниях СОМ-портов и большинства устройств (она отличается от безликих обозначений RS-232 и V.24). Напомним, 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. Нормальную последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к СОМ-порту иллю­стрирует рис. 2.6.

 

Таблица 2.2. Назначение сигналов интерфейса RS-232C

Сигнал Назначение

PG Protected Ground — защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля

SG Signal Ground — сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов

TD Transmit Data — последовательные данные — выход передатчика

RD Receive Data — последовательные данные — вход приемника

RTS Request To Send — выход запроса передачи данных: состояние «включено»

уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением — состояние «включено» служит сигналом модему на переключение в режим передачи

CIS Clear To Send — вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние

«выключено» 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)

DTR Data Terminal Ready — выход сигнала готовности терминала к обмену данными.

Состояние «включено» поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения

DCD Data Carrier Detected — вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема

Rl Ring Indicator — вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим

сигналом модем сигнализирует о принятии вызова

Рис. 2.6. Последовательность управляющих сигналов интерфейса

1. Установкой DTR компьютер указывает на желание использовать модем.

2. Установкой DSR модем сигнализирует о своей готовности и установлении со­единения.

3. Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.

4. Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от ком­пьютера и передаче их в линию.

5. Снятием CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (напри­мер, буфер заполнен) — компьютер должен приостановить передачу данных.

6. Сигналом CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).

7. Снятие RTS может означать как заполнение буфера компьютера (модем дол­жен приостановить передачу данных в компьютер), так и отсутствие данных для передачи в модем. Обычно в этом случае модем прекращает пересылку данных в компьютер.

8. Модем подтверждает снятие RTS сбросом CTS.

9. Компьютер повторно устанавливает RTS для возобновления передачи.

10. Модем подтверждает готовность к этим действиям.

11. Компьютер указывает на завершение обмена.

12. Модем отвечает подтверждением.

13. Компьютер снимает DTR, что обычно является сигналом на разрыв соедине­ния («повесить трубку»).

14. Модем сбросом DSR сигнализирует о разрыве соединения.

Из рассмотрения этой последовательности становятся понятными соединения DTR-DSR и RTS-CTS в нуль-модемных кабелях.

Предлагаю ознакомиться с аналогичными статьями: