Лекция 9. Контроллеры последовательной передачи данных. Последовательный интерфейс

Последовательный интерфейс Последовательный интерфейс – это аппаратное устройство для обмена информацией между элементами микропроцессорной техники по одному биту (последовательно). ДОСТОИНСТВА: относительная дешевизна ввиду малого количества проводников; высокая помехозащищенность за счет использования высоких уровней напряжения (тока); большое расстояние между передатчиком и приемником информации. НЕДОСТАТКИ: низкая производительность; относительно сложная интерпретация передаваемых данных.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ: единица информации при последовательном обмене называется символом, который может содержать от 5 до 8 информационных бит; скорость передачи информации измеряется в бодах, определяющих число передаваемых бит в секунду; 1 бод = 1 бит/с последовательная система передачи информации может быть симплексной (передача данных только от передатчика к приемнику), полудуплексной (данные передаются в обе стороны с разделением во времени) или дуплексной (одновременная передача информации в обоих направлениях). Последовательный интерфейс

Типичная конфигурация дуплексного последовательного интерфейса Регистр состояния содержит информацию о состоянии текущей передачи (например, об ошибках), а регистр управления хранит информацию о режиме работы интерфейса. Буферный регистр входных данных подключен к регистру сдвига с последовательным входом и параллельным выходом. В операции ввода биты по одному подаются в регистр сдвига, а после приема символа информация передается в буферный регистр входных данных и ожидает ввода в микропроцессор. Буферный регистр выходных данных аналогично подключен к регистру сдвига с параллельным входом и последовательным выходом. Вывод осуществляется выдачей данных в буфер выходных данных, передачей их в регистр сдвига и последующим сдвигом данных на последовательную выходную линию.

Асинхронный последовательный обмен Различают два основных вида последовательного обмена: асинхронный и синхронный. В асинхронном режиме каждый передаваемый автономно символ обрамляется стартовым битом, необязательным битом паритета и стоповыми битами. Полученная таким образом посылка информации называется кадром. Временная диаграмма асинхронной передачи 6-битного символа с битом паритета и двумя стоповыми битами: Скорость передачи составляет 1/T бод

Формат кадра должен быть согласован у приемника и передатчика, которые настраиваются на символ одной и той же длины, одинаково интерпретируют бит паритета (если он есть), настраиваются на одинаковое количество стоповых битов; частота битовых посылок и их фаза должна быть одинаковой с точки зрения приемника и передатчика. НЕДОСТАТОК АСИНХРОННОГО ОБМЕНА: большое количество служебных бит, снижающее эффективную скорость последовательной передачи. Условия успешного асинхронного последовательного обмена

Синхронная последовательная передача символа из 5–8 информационных бит с необязательным битом паритета, не имеет стартового и стоповых бит. Обмен информацией начинается с посылкой символов синхронизации, которые заранее записываются в специальные регистры передатчика и приемника. Приемник, проверяя каждый бит по мере его появления, фиксирует начало передачи при поступлении нужного числа символов синхронизации, исключающем действие возможных помех на линии. Синхронный последовательный обмен. Принцип работы Все символы передаются без каких-либо разделителей, поэтому требования к синхронизации работы передатчика и приемника более жесткие, чем в асинхронном режиме. Ненужные холостые символы и символы синхронизации удаляет приемник или программа ввода.

Синхронный последовательный обмен. Характерные черты Допускается программирование числа информационных бит, наличия и вида паритета, числа и кодов символов синхронизации. В программируемых интерфейсах содержатся специальные регистры для хранения символов синхронизации и другой информации о формате передаваемого символа и режима работы.

Программируемый связной интерфейс. (Реализация последовательного интерфейса обмена данными)

Программируемый связной интерфейс (ПСИ) Программируемый связной адаптер (ПСА) К580ВВ51 представляет собой универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик УСАПП (USART, Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter). Он предназначен для организации последовательного обмена между МП и внешними устройствами. ПСА может принимать данные с 8-разрядной шины данных и передавать их в последовательном формате периферийным устройствам, а также получать последовательные данные с периферии и преобразовывать их в параллельную форму для передачи в МП. Обмен данными в асинхронном режиме производится со скоростью передачи до 9,6 Кбит/с, а в синхронном – со скоростью до 56 Кбит/с.

Структура ПСА К580ВВ51 Буфер данных Блок управления записью/чтением Блок управления модемом Буфер передатчика Схема управления передатчиком Буфер приемника Схема управления приемника

Структурные элемента ПСА BD - Буфер шины данных - представляет собой параллельный 8- разрядный двунаправленный регистр с тремя состояниями. В буфере имеются регистры данных (входной и выходной), команд и состояния. RWCU - Блок управления записью/чтением - принимает управляющие сигналы от микропроцессора и генерирует внутренние сигналы управления блоками адаптера. MCU - Блок управления модемом - обрабатывает сигналы квитирования («рукопожатия») с периферией для осуществления надежного обмена информацией. TBF - Буфер передатчика со схемой управления передатчиком TCU - предназначены для преобразования принятых от МП данных в последовательный формат. RBF - Буфер приемника со схемой управления приемником RCU - предназначены для преобразования принятых в последовательном формате данных от внешнего устройства в параллельный формат.

Условное обозначение ПСА Programmable Сommunication Interface Высокий уровень на входе C/D задает загрузку управляющих слов или считывание слова состояния ПСА, а низкий – ввод/вывод данных.

Таблица истинности сигналов блока RWCU Адаптер имеет набор управляющих входных и выходных сигналов для управления модемом, которые в общем случае можно использовать для работы с другими периферийными устройствами. Состояние выходов задается программно путем загрузки команды управления, а состояние входов проверяется путем считывания слова состояния ПСА.

Назначение выводов ПСА Вход DSR (Data Set Ready) – готовность данных для передачи – сигнал запроса (низкий уровень) от передатчика внешнего устройства для передачи в ПСА готового символа. Выход DTR (Data Terminal Ready) – готовность обмена данными с периферией – сигнал-реакция МП на запрос DSR, разрешающий внешнему устройству посылку данных. Выход RTS (Request To Send) – запрос на передачу данных – сигнал запроса от ПСА готовности приемника внешнего устройства принять символ. Вход CTS (Clear To Send) – готовность к передаче – сигнал готовности приемника внешнего устройства принять символ.

Назначение выводов ПСА Выводы TxD (Transmitter Data) – данные передатчика и RxD (Receiver Data) – данные приемника – выход и вход для передачи/приема последовательного символа. Выводы TxC (Transmitter Clock) – синхронизация передатчика и RxC (Receiver Clock) – синхронизация приемника – входы сигналов синхронизации, управляющих скоростью передачи/приема бит последовательного символа. В синхронном режиме скорость обмена соответствует частотам сигналов TxC и RxC, а в асинхронном – программируется как 1:1, 1:16 или 1:64 частоты сигналов TxC и RxC. Выводы TxRDY (Transmitter Ready) – готовность передатчика и RxRDY (Receiver Ready) – готовность приемника – выходные сигналы, указывающие микропроцессору о готовности передатчика ПСА принять символ и готовности приемника передать принятый символ.

Назначение выводов ПСА Вывод TxE (Transmitter Empty) – передатчик пуст – выход, активизирующийся при отсутствии в адаптере символа для передачи. Сигнал может быть использован для индикации конца передачи и оповещения МП о моменте переключения линии последовательного обмена на другое направление в полудуплексном режиме работы ПСА. В синхронном режиме активизация сигнала TxE показывает, что символ вовремя не загружен и в линию последовательного обмена следует вводить синхро символы. Вывод SYNDET (SYNchro DETect) – обнаружение синхро символов – выходной сигнал указывает на обнаружение синхро символа в режиме синхронного приема с внутренней синхронизацией. В синхронном режиме с внешней синхронизацией является входным сигналом, заставляющим адаптер начать прием данных. В асинхронном режиме используется в качестве выходного сигнала для обнаружения разрыва при последовательном обмене.

Программирование и работа с ПСА модели К580ВВ51

Режим работы адаптера и его поведение определяется форматом управляющих слов – инструкции режима и команды управления. Программирование ПСА заключается в загрузке соответствующих потребностям управляющих слов в регистры режима и управления. Инструкция режима заносится сразу после установки ПСА в исходное состояние программно или по сигналу RESET и хранится до загрузки новой инструкции режима. Управляющее слово ПСА

Формат инструкции режима ПСА Здесь задается режим работы адаптера (синхронный или асинхронный), формат передаваемых символов, скорость передачи/приема, необходимость контроля и тип синхронизации. При синхронном обмене и внутренней синхронизации после инструкции режима в адаптер вводятся один или два синхро символа, для хранения которых в схеме управления приемником RCU имеются два специальных регистра.

После синхро символов или непосредственно после инструкции режима, если задан режим асинхронного обмена или синхронного обмена с внешней синхронизацией, в ПСА загружается команда управления установленным режимом обмена и может многократно задаваться в процессе обмена, что позволяет оперативно влиять на процесс обмена символами. Для активизации необходимой функции следует задать 1 в соответствующем бите команды управления. Формат команды управления ПСА

Правильная загрузка нескольких регистров без индивидуальных адресов у них обеспечивается жестким порядком записи в ПСА управляющих слов. Для контроля над процессом обмена данными МП может с помощью команды ввода считывать слово состояния из специального внутреннего регистра состояний ПСА. Слово состояния ПСА

Кроме уже рассмотренных сигналов в слове состояния формируются три флага ошибок: разряд D3 устанавливается при возникновении ошибки контроля паритета PE (Parity Error), т. е. ошибка четности/нечетности; разряд D4 устанавливается при возникновении ошибки переполнения OE (Overload Error), если МП не прочитал символ; разряд D5 устанавливается при наличии ошибки кадра FE (Frame Error), если в конце посылки для асинхронного режима не обнаруживается стоп-бит. Флаги ошибок слова состояния ПСА

ПСА может работать в одном режиме или комбинации совместимых режимов, осуществляя программный обмен микропроцессора с внешним устройством или обмен по прерываниям. Первый вид обмена предусматривает программное чтение слова состояния адаптера и при его готовности выполнение программного обмена. При обмене по прерываниям сигналы готовности адаптера TxRDY и RxRDY используются как запросы прерывания для микропроцессора. Комбинация режимов работы ПСА