Модуль uart
Среди большого множества различных типов встроенных контроллеров последовательного обмена, которые входят в состав тех или иных 8-разрядных МК, сложился стандарт «де-факто» – модуль UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) – универсальный асинхронный приемопередатчик. Однако многие из модулей UART кроме асинхронного режима обмена способны также реализовать простейший режим синхронной передачи данных. Поэтому более правильным с точки зрения терминологии было бы именовать эти модули USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter) – универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик. Такой термин тоже существует, но пользуются им редко.
Не все производители МК используют термин UART для обозначения типа модуля контроллера последовательного обмена. Так, в МК фирмы «Motorola» модуль асинхронной приемопередачи, который поддерживает те же режимы асинхронного обмена, что и UART, принято называть SCI (Serial Communication Interface). Следует отметить, что модуль типа SCI обычно реализует только режим асинхронного обмена, однако МК фирмы «Motorola» традиционно имеют в своем составе два модуля последовательного обмена: модуль SCI с возможностью реализации только протоколов асинхронной приемопередачи для интерфейсов RS-232C, RS-422A, RS-485 и модуль контроллера синхронного интерфейса в стандарте SPI.
Модуль типа UART в максимальной конфигурации обычно реализует два типа протокола обмена в асинхронном режиме (кадр длиною в 10 бит или в 11 бит) и два типа протокола в синхронном режиме (трехпроводный полнодуплексный обмен или двухпроводный полудуплексный обмен). Упрощенная структура модуля типа UART приведена на рис. 26 – см. также /4/.
Рис. 26
Модуль состоит из двух независимых подсистем: передатчика (Transmitter) и приемника (Receiver), поэтому возможен режим одновременной передачи и приема информации в последовательном коде. Основу каждой подсистемы составляют сдвиговый регистр и параллельный регистр буфера данных. Обращение к буферу данных приемника и передатчика осуществляется по одному и тому же адресу, но при выполнении операции записи данные будут помещены в буфер передатчика TDBUF, операции чтения – данные будут считаны из буфера приемника RDBUF.
В МК MCS-51 для работы с последовательным портом используются два регистра специальных функций:
SCON - регистр управления последовательного порта;
SBUF - регистр данных последовательного порта.
В контроллерах других серий, например, в МК фирмы Motorola, существует по нескольку регистров управления и контроля состояния USART (SCI).
В /1/ функционирование UART (см. рис. 26) описано следующим образом. Передача данных от МК к другому устройству инициируется посредством записи байта данных в регистр TDBUF. Если работа передатчика разрешена (бит ТЕ в регистре управления модулем равен 1), то аппаратные средства модуля загружают содержимое TDBUF в сдвиговый регистр и под управлением генератора скорости обмена биты из сдвигового регистра, начиная с младшего D0, последовательно передаются на вывод TxD MK. По завершении передачи байта данных устанавливается бит TI, который информирует МК о том, что буфер передатчика пуст и в него могут быть загружены новые данные для передачи. Бит TI генерирует запрос на прерывание, если прерывания от передатчика в МК разрешены. Бит TI может также быть считан программно.
Если работа приемника разрешена (бит RE в регистре управления модулем равен 1), то после распознавания стартового бита аппаратные средства приемника преобразуют данные, которые поступают на вход RxD в последовательном коде, в параллельный код. После завершения приема последнего бита в сдвиговом регистре приемника находится принятый байт данных, который автоматически переносится в регистр RDBUF. Одновременно устанавливается в «1» флаг завершения приема RI. Бит RI может быть считан под управлением программы, а если прерывания от приемника разрешены, то генерируется запрос на прерывание. В процессе выполнения подпрограммы прерывания принятый байт данных считывается из регистра данных приемника RDBUF в память МК. Сразу после копирования байта данных из сдвигового регистра в RDBUF приемник может начать формирование следующего байта данных, отдельные биты которого продолжают поступать на вход RxD. Однако необходимо, чтобы центральный процессор МК успел считать данные из буферного регистра RDBUF до завершения формирования в сдвиговом регистре следующего принятого байта. Если этого не произошло, то возникшая аварийная ситуация в модулях UART разрешается различными путями. В модулях SCI фирмы «Motorola» запись следующего принятого байта в буферный регистр данных не производится и устанавливается флаг ошибки OR (Overrun). Этот флаг наравне с триггером RI может генерировать запрос на прерывание от приемника. В модулях МК Intel MSC-51 и ему полностью аналогичных такая защита отсутствует: следующий принятый байт затирает предыдущий в регистре RDBUF.
Для повышения достоверности приема каждого разряда аппаратные средства модуля UART считывают уровень сигнала на входе RxD три раза в течение интервала присутствия бита (подробнее ниже – рис. 29). Значение бита, которое будет занесено в младший разряд сдвигового регистра приемника, определяется мажоритарным способом: по принципу два из трех. Модули SCI сообщают пользователю о наличии шума на линии приема: если не все три значения при приеме любого из битов кадра совпали, то устанавливается флаг NF (Noise Error). В модулях UART MK Intel MSC-51 такая защита не предусмотрена.
Подсистемы приемника и передатчика модуля UART не являются полностью автономными. Скорость обмена и формат кадра асинхронной приемопередачи назначаются в процессе инициализации модуля одинаковыми для приемника и для передатчика. Модули UART различных МК предоставляют неодинаковые возможности по регулированию скорости обмена. В МК Intel MSC-51 допускается плавное регулирование с дискретностью, равной периоду частоты тактирования таймера. Для задания скорости обмена используется один из каналов модуля таймера. Напротив, модуль SCI МК Motorola не использует ресурсы модуля таймера для этих целей. Такой подход, с одной стороны, имеет преимущество по экономии использования ресурсов МК, однако, с другой стороны, не позволяет задать произвольное соотношение между частотой обмена и собственной частотой кварцевого резонатора генератора синхронизации МК. Последнее накладывает ограничения на выбор частоты кварцевого резонатора, если скорость обмена в разрабатываемом устройстве должна соответствовать стандартному ряду.
Все модули типа UART предусматривают два типа кадров асинхронного обмена. На рис. 27 представлена временная диаграмма 10-битового кадра: 8 бит данных передаются вслед за стартовым битом, начиная с младшего DO, завершает передачу стоповый бит. Логические уровни для передачи стартового бита (низкий) и стопового бита (высокий) формируются аппаратными средствами передатчика. Приемник распознает начало передачи нового кадра по изменению уровня сигнала на входе RxD с высокого, который может длиться сколь угодно долго, на низкий. Передаваемая в кадре полезная информация длиною в один байт может кодироваться абсолютно произвольно. Но может быть использовано и стандартное решение, при котором информация кодируется семью битами D6 – D0, старший бит D7 используется для контроля правильности приема. С этой целью передающий МК кодирует бит паритета D7 из условия четного (контроль на четность) или нечетного (контроль на нечетность) числа единиц в передаваемом слове, а принимающий МК производит проверку принятого кода в соответствии с выбранным способом кодирования. Если число единиц в байте данных соответствует выбранному способу кодирования, т. е. четное (нечетное), то передача считается успешной.
Рис. 27
Следует заметить, что не все модули UART 8-разрядных МК имеют опции автоматического формирования бита паритета и контролируют принятое слово на четность или нечетность аппаратными средствами. Поэтому при необходимости эти операции должны быть реализованы программными средствами. Рассмотренный 10-битовый формат кадра наиболее часто используется при организации связи встраиваемой МП системы с системой управления верхнего уровня.
Временная диаграмма 11-битового кадра асинхронного обмена представлена на рис. 28: 9 бит данных обрамляются одним стартовым и одним стоповым битом. При формировании 9-разрядного слова для передачи сначала старший разряд D8 помещается в бит Т8 одного из регистров управления модулем, а затем младшие разряды D7 – D0 записываются в обычном порядке в регистр TDBUF. При приеме 9-разрядного слова младшие биты D7 – D0 размещаются в регистре RDBUF, старший бит D8 передается в разряд R8 одного из регистров управления.
Рассматриваемый формат представления кадра используется:
либо для передачи с контролем четности/нечетности байта (паритет),
либо для организации протокола обмена верхнего уровня в локальных сетях на основе нескольких МК. С этой же целью в модулях UART реализован специальный режим ожидания с механизмом пробуждения (Wake-up) – см. ниже.
Рис. 28
Перед началом связи между двумя устройствами необходимо настроить их приемопередатчики на одинаковую скорость связи и формат кадра. Скорость связи или бодрейт (baudrate) измеряется в бодах – число передаваемых бит в секунду (включая старт и стоп-биты). Задается эта скорость в бодрейт-генераторе делением системной частоты на задаваемый коэффициент. Типичный диапазон скоростей: 2400 … 115200 бод. Формат кадра определяет число стоп-битов (1 или 2), число бит данных (8 или 9), а также назначение девятого бита данных. Все это зависит от типа контроллера.
Приемник и передатчик тактируются, как правило, с 16-кратной частотой относительно бодрейта. Это нужно для сэмплирования сигнала. Приемник, поймав падающий фронт старт-бита, отсчитывает несколько (6 или 7) тактов и следующие три такта считывает (семплирует) порт RX (рис. 29). Это соответствует середине старт-бита. Если большинство значений семплов – "0", старт-бит считается состоявшимся, иначе приемник принимает его за шум и ждет следующего падающего фронта. После удачного определения старт-бита приемник точно так же семплирует середины битов данных и по большинству семплов считает бит "0" или "1", записывая их в сдвиговый регистр. Стоп-биты тоже семплируются, и если уровень стоп-бита не "1" – UART определяет ошибку кадра и устанавливает соответствующий флаг в управляющем регистре.
Рис.
29
Поскольку бодрейт устанавливается делением системной частоты, при переносе программы на устройство с другим кварцевым резонатором необходимо изменить соответствующие настройки UART.
На рис. 30 приведена структура локальной сети на основе UART. Один из МК в этой сети является ведущим, все остальные – ведомыми. В каждый момент времени обмен возможен между ведущим и одним из ведомых, обмен между двумя ведомыми не реализуется. Инициатором обмена всегда является только ведущий. Обмен производится пакетами, каждый из которых включает не менее трех 11-битовых кадров. Первый кадр определяет адрес ведомого МК, с которым будет производиться обмен. Бит D8 этого кадра должен быть равен «1». Следующие кадры используются для обмена данными с выбранным ведомым.
Б
ит
D8 этих кадров должен быть
установлен в «0». Последний кадр пакета
обмена должен содержать 11 нулевых битов.
Так как подобная последовательность
не может быть сформирована в результате
записи в регистр буфера передатчика
TDBUF нулевого слова
(необходимо также обнулить стоповый
бит), то для ее воспроизведения
предусмотрена специальная опция
формирования сигнала «Break».
В модулях SCI для ее
реализации необходимо установить бит
SBK (Send Break)
в одном из регистров управления. Обмен
между ведущим и ведомым происходит в
следующем порядке.
• В исходном состоянии приемники всех ведомых МК находятся в состоянии ожидания (настроить этот режим при инициализации каждого МК). В этом состоянии прием байта данных осуществляется, но принятое слово переписывается в буферный регистр RDBUF с одновременной установкой в «1» флага завершения приема RI только в том случае, если бит D8 этого слова равен «1». Остальные слова с признаком D8 = 0 игнорируются.
• Ведущий МК посылает всем ведомым одновременно первый кадр пакета обмена. Разряды D7 – D0 этого кадра содержат адрес ведомого, бит D8 равен «1».
• Все ведомые МК принимают это 9-разрядное слово, и, поскольку разряд D8 кадра равен «1», приемник модуля UART каждого МК выходит из состояния ожидания. Формируется запрос на прерывание. Подпрограмма обработки этого прерывания сравнивает принятый адрес с собственным адресом в локальной сети. Если адреса совпадают, т.е. ведущий будет производить обмен именно с этим ведомым, то МК ожидает передачи от ведомого следующего кадра. Если адреса не совпадают, то МК посредством специального бита управления переводит приемник модуля UART снова в режим ожидания. Тогда все следующие кадры пакета обмена этим МК восприняты не будут, поскольку они содержат нулевой разряд D8.
• Ведущий МК передает ведомому необходимое число байтов, сопровождая каждый из них признаком данных D8 = 0. При необходимости ведущий принимает данные от ведомого. О завершении обмена ведущий информирует ведомый посылкой сигнала «Break».
• Ведомый в ответ на сигнал «Break» переводит приемник модуля UART в состояние ожидания. Локальная сеть приведена в исходное состояние и готова к передаче нового пакета.
Кроме рассмотренных режимов асинхронного обмена, многие из модулей UART поддерживают режим синхронной приемопередачи. Так, в МК MSC-51 контроллер последовательного интерфейса реализует полудуплексный обмен в синхронном режиме, при котором импульсы синхронизации выдаются на линию TxD, данные передаются или принимаются по линии RxD. Важно отметить, что при синхронном обмене модуль UART МК MSC-51 может работать только в ведущем режиме, т.е. именно этот модуль формирует импульсы синхронизации независимо от направления обмена. Модуль SCI МК МС68НС705В16 (модуль типа UART) реализует симплексный синхронный обмен, при котором возможно только одно направление передачи данных: из МК к периферийной ИС.
Для получения уровней сигнала, соответствующих стандартам группы RS, выпускаются в широком ассортименте интерфейсные микросхемы драйверов, ресиверов, трансиверов, адаптеров и репитеров.