σελ= 135-146
Μάθημα 3.10: Σειριακή Επικοινωνία
3.10.1 Εισαγωγή
Η σειριακή επικοινωνία είναι ευρέως διαδεδομένη. H σειριακή επικοινωνία αποτελεί έναν απλό τρόπο για την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ δύο ψηφιακών συσκευών. Κάθε υπολογιστής διαθέτει σειριακές θύρες για τη σύνδεση του με περιφερειακές συσκευές, όπως ο εκτυπωτής, το ποντίκι το μόντεμ (modem), ή ακόμα και με άλλες συσκευές όπως πολύμετρα και υπολογιστές χειρός.
Εξαιτίας της μεγάλης διάδοσης της σειριακής επικοινωνίας κρίθηκε απαραίτητη η δημιουργία ενός προτύπου στο οποίο έπρεπε να συμμορφώνονται οι κατασκευαστές. Το πρότυπο σειριακής επικοινωνίας που επικράτησε στους προσωπικούς υπολογιστές είναι το RS-232C. Έτσι, ένας κατασκευαστής μπορεί να φτιάξει, όπως θέλει μια συσκευή, εάν όμως αυτή διαθέτει σειριακή επικοινωνία RS-232, τότε μπορεί να δώσει και να πάρει δεδομένα εύκολα από οποιοδήποτε άλλο σύστημα (συνήθως υπολογιστή) που διαθέτει το ίδιο πρότυπο.
3.10.2 Βασικές Έννοιες
Τα δεδομένα στην περίπτωση της σειριακής επικοινωνίας στέλνονται ή λαμβάνονται με τη μορφή διαδοχικών bits, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.10.1.
Σχήμα 3.10.1: Αποστολή σειριακών δεδομένων
Τα bit εμφανίζονται το ένα μετά το άλλο με τη μορφή ηλεκτρικής τάσης πάνω στο μέσο επικοινωνίας, που είναι ένας συρμάτινος αγωγός. Έχουμε δύο στάθμες τάσης, μια για το «0» και μια για το «1». Στη σειριακή επικοινωνία η υψηλή τάση αντιστοιχεί στο «0» και η χαμηλή στο «1».
Κάθε bit διαρκεί ένα μικρό χρονικό διάστημα. Όσο πιο μικρό είναι αυτό το χρονικό διάστημα τόσα πιο πολλά bit μπορεί να στείλει ο υπολογιστής σε κάθε δευτερόλεπτο, μέσα από τη γραμμή. Στο παράδειγμα του σχήματος 3.10.1 έχουμε την αποστολή συνολικά 10 bit όπου το κάθε bit διαρκεί χρόνο τ=1ms. Άρα σε ένα δευτερόλεπτο θα μπορούν να μεταδίδονται το πολύ 1/τ=1000 bit. Ο αριθμός των bit που μπορεί να σταλούν σειριακά πάνω στην γραμμή σε ένα δευτερόλεπτο ονομάζεται ρυθμός baud (baud rate). Ο ρυθμός baud μετριέται σε baud ή bits ανά δευτερόλεπτο που γράφεται και bps (bits per second). Πολλαπλάσια αυτής της μονάδας είναι τα Κbps ή χιλιάδες bits το δευτερόλεπτο και τα Mbps ή εκατομμύρια bits το δευτερόλεπτο. Στο παράδειγμα του σχήματος 3.10.1, η ταχύτητα της σειριακής είναι 1 Κbps.
3.10.3 Η σειριακή θύρα και το UART
Οι υπολογιστές για να μπορούν να στείλουν σειριακά δεδομένα είναι εφοδιασμένοι με μια κατάλληλη περιφερειακή μονάδα, τη σειριακή θύρα. Όπως κάθε περιφερειακή μονάδα έτσι και η σειριακή θύρα συνδέεται πάνω στο διάδρομο.
Σχήμα 3.10.2: Η σειριακή θύρα στέλνει δεδομένα
Τα δεδομένα στο εσωτερικό ενός υπολογιστή οργανώνονται όπως έχουμε δει σε ομάδες με ακέραιο αριθμό bytes, δηλαδή 1 byte (8 bits) – 2 byte (16 bits) κ.ο.κ. ανάλογα με το εύρος του διαδρόμου.
Ας υποθέσουμε τώρα ότι η ΚΜΕ θέλει να στείλει μέσω της σειριακής θύρας το χαρακτήρα ‘G’. Για το σκοπό αυτό η ΚΜΕ επικοινωνεί με τη σειριακή θύρα μέσω του διαύλου και της δίνει ολόκληρο του χαρακτήρα ‘G’. Ο ASCII κωδικός του γράμματος ‘G’ είναι ο αριθμός 4716=010010112 (βλ. Πίνακα 2.1.2). Η σειριακή θύρα πριν την αποστολή του ‘G’ θα στείλει ένα μηδενικό bit το οποίο ονομάζουμε bit εκκίνησης (Start bit). Στη συνέχεια, θα ξεκινήσει την αποστολή του ‘G’ θέτοντας τη γραμμή αποστολής των δεδομένων (TD) στη στάθμη που αντιστοιχεί στο πρώτο bit του χαρακτήρα ‘G’ που είναι το 1. Στη συνέχεια θα τοποθετήσει με προκαθορισμένο ρυθμό baud, το ένα μετά το άλλο όλα τα υπόλοιπα bit του γράμματος ‘G’, δηλαδή θα στείλει τα bit 1,0,1,0,0,1,0 (από το λιγότερης αξίας bit προς το υψηλότερης αξίας bit). Η αποστολή του χαρακτήρα ολοκληρώνεται με την αποστολή ενός ή και δύο bit με τιμή 1, τα οποία ονομάζουμε bit τέλους (Stop bit).
Όμοια εάν μια εξωτερική συσκευή στέλνει σειριακά δεδομένα, τα γράφει το ένα bit μετά το άλλο πάνω στην γραμμή λήψης δεδομένων (Receive Data - RD) της σειριακής θύρας. Η σειριακή θύρα τα λαμβάνει και, όταν συμπληρώσει ένα ολόκληρο byte, ειδοποιεί την KME ότι έχει λάβει ένα byte δεδομένων. Η ΚΜΕ στη συνέχεια το διαβάζει από τη σειριακή θύρα.
Σχήμα 3.10.3 Η σειριακή θύρα λαμβάνει δεδομένα
Στο παράδειγμα του σχήματος μία εξωτερική συσκευή στέλνει το χαρακτήρα «Ε» στη σειριακή θύρα. O ASCII κωδικός του γράμματος «Ε» είναι το 6910 που είναι ίσο με το 010000112. Μόλις η σειριακή θύρα ολοκληρώσει τη λήψη του χαρακτήρα μετά την εμφάνιση του bit τέλους, ειδοποιεί την KME ότι έχει λάβει ένα χαρακτήρα. Η ΚΜΕ διαβάζει στη συνέχεια το χαρακτήρα «E» από τη σειριακή θύρα.
3.10.4 Το UART
Η βασική μονάδα μιας σειριακής θύρας είναι το UART. To UART μετατρέπει τα παράλληλα δεδομένα, που λαμβάνει από το δίαυλο του υπολογιστή, σε σειριακά και αντιστρόφως.
Ας εξετάσουμε το προηγούμενο παράδειγμα όπου η KME προσπαθεί να στείλει το χαρακτήρα ‘G’ και ας δούμε με μεγαλύτερη προσοχή τα δεδομένα στην έξοδο της σειριακής θύρας.
Παρατηρούμε ότι η αντιστοιχία των bits με την ηλεκτρική τάση είναι με «ανεστραμμένη» ή αρνητική λογική. Δηλαδή τα μηδενικά αντιστοιχούν σε τάση +12V και ονομάζονται διάστημα (Space) ενώ οι άσσοι αντιστοιχούν σε τάση –12V και ονομάζονται σημάδια (Mark). Επιπλέον παρατηρούμε ότι κατά την αποστολή ενός byte μέσω της σειριακής, το UART προσθέτει δύο ακόμα bits: Ένα bit με τιμή ‘0’ (τάση +12V) στην αρχή που ονομάζεται bit εκκίνησης (Start bit) και ένα ή ακόμα και δύο άσους (τάση -12V) στο τέλος που ονομάζονται bit τέλους (Stop bit).
Στα παραδείγματα των σχημάτων 3.10.2 και 3.10.3 κάθε bit διαρκεί περίπου 0,1042ms. Άρα σε ένα δευτερόλεπτο θα μπορούν να μεταδίδονται το πολύ 1/0,00010429600 bits άρα ο ρυθμός baud είναι 9600 bps. Βέβαια εάν θεωρούμε ότι για ένα χαρακτήρα εκτός από τα 8 bits της πληροφορίας έχουμε τουλάχιστο ένα bit στην αρχή και ένα στο τέλος, ο συνολικός αριθμός των bits είναι 10 και ο συνολικός χρόνος είναι 1,0420 ms για την αποστολή ενός χαρακτήρα. Με άλλα λόγια η ταχύτητα αποστολή δεδομένων είναι 1/0,0010420=960 bytes/sec. Στην πράξη χρησιμοποιούνται τυποποιημένες τιμές για τους ρυθμούς baud που φαίνονται στο πίνακα 3.10.1.
Ρυθμός baud
110 bps
300 bps
1200 bps
2400 bps
4800 bps
9600 bps
19200 bps
38400 bps
57600 bps
115200 bps
230400 bps
Πίνακα 3.10.1
Με τον ίδιο ρυθμό που στέλνει δεδομένα το UART με τον ίδιο επίσης ρυθμό περιμένει να δεχθεί δεδομένα. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι ο ρυθμός baud δύο συσκευών που επικοινωνούν σειριακά θα πρέπει να είναι προσυμφωνημένος και ίδιος για τις δύο συσκευές. Δύο συσκευές που συνδέονται και έχουν διαφορετικό ρυθμό baud δεν μπορούν να ανταλλάξουν δεδομένα.
Για να πετυχαίνει τους επιθυμητούς ρυθμούς baud το UART διαθέτει συνήθως δικό του ρολόι. Η συχνότητα με την οποία εξέρχονται ή εισέρχονται τα bit του UART, δηλαδή ο ρυθμός baud, καθορίζεται από τη KME.
3.10.5 Επικοινωνία μέσω modem
Ας εξετάσουμε τώρα την περίπτωση που δύο υπολογιστές θέλουν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους μέσω του τηλεφωνικού δικτύου. Η σύνδεση αυτή είναι ιδιαίτερα επιθυμητή, αφού μας δίνεται η δυνατότητα να χρησιμοποιούμε το πολύ μεγάλο, καλά οργανωμένο και ιδιαίτερα αναπτυγμένο σε όλο το κόσμο τηλεφωνικό δίκτυο, για να ανταλλάσσουμε δεδομένα με άλλους απομακρυσμένους υπολογιστές.
Από το τηλεφωνικό δίκτυο φτάνει στο σπίτι μας ένα ζευγάρι γραμμών μέσω του οποίου θέλουμε ο υπολογιστής μας να ανταλλάξει δεδομένα με ένα άλλο απομακρυσμένο υπολογιστή. Ένα βασικό μειονέκτημα του τηλεφωνικού δικτύου είναι ότι έχει σχεδιαστεί για την αποστολή της ανθρώπινης φωνής και όχι για να υποστηρίζει την επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών. Ένας ηλεκτρικός παλμός σαν αυτούς που παράγει η σειριακή θύρα δεν μπορεί να περάσει μέσα από ένα μακρύ σύρμα. Ο λόγος είναι ότι ο παλμός παραμορφώνεται και είναι αδύνατη η αναγνώρισή του από την άλλη άκρη.
Για τους παραπάνω λόγους και για την επικοινωνία μέσω του τηλεφωνικού δικτύου είναι απαραίτητο το modem (MOdulator/DEModulator - διαμορφωτής/αποδιαμορφωτής). Το modem διαμορφώνει κατάλληλα τους παλμούς που δέχεται από τον υπολογιστή ώστε να περνούν μέσα από το τηλεφωνικό δίκτυο, ενώ παράλληλα δίνει και διάφορες δυνατότητες έναρξης και τερματισμού τηλεφωνικών κλήσεων.
Η επικοινωνία υπολογιστή και modem συνήθως γίνεται μέσω της σειριακής θύρας. Δηλαδή τα δεδομένα και τις εντολές τις δέχεται το modem από τον υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας.
3.10.6 Πρότυπο σειριακής επικοινωνίας RS232C
Το πρότυπο σειριακής επικοινωνίας που επικράτησε στους υπολογιστές είναι, όπως έχουμε αναφέρει, το RS-232. Το RS-232 προβλέπει με αρκετή λεπτομέρεια την σειριακή επικοινωνία μεταξύ δύο υπολογιστών μέσω modem.
Οι συσκευές κατά το πρότυπο RS-232, διακρίνονται σε δύο κατηγορίες:
α) τις τερματικές συσκευές δεδομένων DTE (Data Terminal Equipment), που είναι οι συσκευές που ανταλλάσσουν δεδομένα. Συνήθως είναι δύο υπολογιστές ή ένας υπολογιστής και ένα τερματικό υπολογιστή.
β) τις επικοινωνιακές συσκευές δεδομένων DCE (Data communication Equipment) που είναι οι συσκευές που παρεμβάλλονται στη σύνδεση δύο τερματικών συσκευών και βοηθούν στην επικοινωνία τους, όπως είναι τα Modem.
Για τη διασύνδεση συσκευών που χρησιμοποιούν το πρότυπο RS-232-C χρησιμοποιούνται δύο ειδών βύσματα τύπου ‘D’: των 25 ακροδεκτών και των 9 ακροδεκτών (pins).
Σχήμα 3.4.4: Τα βύσμα D-9 και D-25.
Tο πρότυπο προβλέπει την χρήση 25 σημάτων, όμως στις περισσότερες εφαρμογές δεν απαιτούνται όλα αυτά τα σήματα, οπότε μπορεί να γίνει χρήση βυσμάτων των 9 ακροδεκτών (pins). Θηλυκά βύσματα και των δύο τύπων, μπορούν να βρεθούν στην πίσω πλευρά ενός προσωπικού υπολογιστή PC.
3.10.7 Αντιστοιχία σημάτων και ακίδων του RS232-C
Η αντιστοιχία σημάτων με τους ακροδέκτες των δύο τύπων βυσμάτων αναφέρονται στον πίνακα 3.10.2.
D25
D9
Σήμα Modem Πλήρες όνομα Κατεύθυνση του σήματος
2 3 TD Εκπομπή δεδομένων (Transmit Data) PC Modem
3 2 RD Λήψη δεδομένων (Receive Data) PC Modem
4 7 RTS Αίτηση Αποστολής (Request To Send) PC Modem
5 8 CTS Ελεύθερος να στείλεις (Clear To Send) PC Modem
6 6 DSR Data Set Ready PC Modem
7 5 SG Γη σήματος (Signal Ground)
8 1 CD Ανίχνευση Φέροντος (Carrier Detect) PC Modem
20 4 DTR Data Terminal Ready PC Modem
22 9 RI Ένδειξη κουδουνιού (Ring Indicator) PC Modem
12, 13, 14, 16, 19 - Σήματα 2ου ανάστροφου καναλιού
15, 17, 21, 25 - Σήματα σύγχρονης επικοινωνία
Πίνακας 3.10.2 Βύσματα τύπου D 9 και D 25
Στη συνέχεια δίνεται συνοπτικά η λειτουργία των σημάτων αυτών.
• TD (Transmit Data): Η γραμμή αυτή χρησιμοποιείται για την αποστολή των σειριακών δεδομένων ενός υπολογιστή
• RD (Receive Data): Στη γραμμή αυτή, γίνεται η λήψη των σειριακών δεδομένων σε ένα υπολογιστή
• RTS (Request to Send): Αίτηση Αποστολής δεδομένων. Με το σήμα αυτό ενημερώνει ο υπολογιστής, το modem ότι θέλει να του αποστείλει δεδομένα.
• CTS (Clear to Send): Ελεύθερος να αποστείλεις δεδομένα. Το modem απαντά στη γραμμή CTS ότι είναι έτοιμο να δεχθεί δεδομένα από τον υπολογιστή. Για την ενεργοποίηση αυτού του σήματος δεν είναι απαραίτητο να έχει ενεργοποιηθεί μια αίτηση αποστολής δεδομένων από τον προσωπικό υπολογιστή με τη γραμμή RTS. Το modem μπορεί να έχει συνεχώς τη γραμμή αυτή ενεργοποιημένη, εάν μπορεί να δέχεται δεδομένα.
• CD (Carrier Detect): Το σήμα αυτό ενεργοποιείται όταν το modem ανιχνεύσει φέρουσα συχνότητα από το modem, που βρίσκεται στην άλλη άκρη της γραμμής επικοινωνίας. Το σήμα αυτό αποτελεί ένδειξη ότι το modem που βρίσκεται στην άλλη πλευρά της γραμμής έχει εντοπιστεί και είναι δυνατή η σύνδεση με αυτό.
• DSR (Data Set Ready): Δηλώνει το modem στο τερματικό ότι είναι έτοιμο να στείλει ή να δεχτεί δεδομένα. Το σήμα αυτό ενεργοποιεί το modem έπειτα από την εκκίνηση της συσκευής.
• DTR (Data Terminal Ready): Τερματική συσκευή έτοιμη. Ο υπολογιστής ενημερώνει το modem ότι είναι έτοιμος να ανταλλάξει δεδομένα μέσω της σειριακής θύρας. Το σήμα αυτό ενεργοποιείται λίγο μετά την εκκίνηση της συσκευής.
• RI (Ring Indicator): Ένδειξη κουδουνιού. Ενεργοποιείται όταν το modem ανιχνεύει σήμα τηλεφωνικής κλήσης.
• SG (Signal ground): Γείωση σήματος. Στην περίπτωση του συνδετήρα 25 ακίδων υπάρχει εκτός από τη γείωση σήματος στο pin 7 και μια δεύτερη γείωση στο σασί (στο pin 1). Για να προφυλαχθεί η συνδεσμολογία από ρεύματα γείωσης θα πρέπει να συνδέονται και οι 2 γειώσεις αυτές με τη γείωση του τερματικού ή υπολογιστή που χρησιμοποιείται.
• Οι ακροδέκτες 12, 13, 14, 16 και 19 που υπάρχουν στο συνδετήρα των 25 pins εξυπηρετούν μερικά modem τα οποία χρησιμοποιούν για την επικοινωνία και το δευτερεύον ή ανάστροφο κανάλι. Αυτό έχει αντίθετη φορά από το ορθό και λειτουργεί σε πολύ χαμηλότερη ταχύτητα. Οι ακροδέκτες 15, 17, 21 και 25 χρησιμοποιούνται στην περίπτωση σύγχρονης επικοινωνίας.
Σε ένα απλό σύστημα επικοινωνίας τα πιο συνήθη σήματα είναι τα RX, TX και τα σήματα χειραψίας (handshaking) DTR, DSR , CD, CTS, RTS.
3.10.8 Σύνδεση συσκευών RS-232C
Στην περίπτωση που θέλουμε να συνδέσουμε δύο τερματικές συσκευές δεδομένων (DTE) που διαθέτουν RS-232-C (π.χ. υπολογιστές) και οι οποίες βρίσκονται σε μικρή απόσταση η μια από την άλλη, τότε είναι δυνατή η σύνδεση χωρίς να παρεμβληθούν modems. Αυτή η συνδεσμολογία ονομάζεται null modem και φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί.
Στην περίπτωση αυτή δεν θέλουμε συνήθως να χρησιμοποιήσουμε όλες τις παραπάνω γραμμές, αλλά μας ενδιαφέρουν μόνο οι 2 βασικές TD/RD και η γη (SG). Η συνδεσμολογία που κάνει χρήση μόνο αυτών των καλωδίων φαίνεται στο σχήμα 3.10.4.
Σχήμα 3.10.5: H σύνδεση null modem
Τι έμαθες:
• Τα δεδομένα στην περίπτωση της σειριακής επικοινωνίας στέλνονται ή λαμβάνονται με τη μορφή διαδοχικών bits. Κάθε bit διαρκεί ένα μικρό χρονικό διάστημα
• Για κάθε byte δεδομένων αποστέλλονται τουλάχιστον δύο bit: ένα bit αρχής και τουλάχιστον ένα bit τέλους.
• Τα bit στην σειριακή επικοινωνία αποστέλλονται με αρνητική λογική.
• Ο αριθμός των bit που μπορεί να σταλούν σειριακά πάνω στην γραμμή σε ένα δευτερόλεπτο ονομάζεται ρυθμός baud. Ο ρυθμός baud μετριέται σε baud ή bps. Για να επικοινωνήσουν δύο συσκευές πρέπει να ανταλλάσσουν δεδομένα με τον ίδιο ρυθμό baud.
• Τα δεδομένα στέλνονται στην γραμμή TD και λαμβάνονται από τη γραμμή RD.
• Το βύσμα που χρησιμοποιείται στην σειριακή επικοινωνία είναι το D-9 ή το D-25.
• To modem χρησιμοποιείται για την αποστολή δεδομένων μέσω του τηλεφωνικού δικτύου. Η επικοινωνία ενός υπολογιστή με το modem γίνεται σειριακά.
• Η σύνδεση δύο υπολογιστών χωρίς modem μπορεί να γίνει με ένα καλώδιο null – modem.
Ορολογία
• Σειριακή μετάδοση δεδομένων
• Ρυθμός baud (baud rate)
Έλεγχος γνώσεων
1. Τα δεδομένα στην περίπτωση της σειριακής επικοινωνίας μεταδίνονται με τη μορφή _________ bits.
2. Τα bit στη σειριακή επικοινωνία στέλνονται με ανεστραμμένη λογική. Συγκεκριμένα το bit με τιμή ____ αντιστοιχείται στα –12 V ενώ το bit με τιμή ____ αντιστοιχείται στα +12 V.
3. Σε κάθε byte προστίθενται δύο επιπλέον bit. Ένα bit ίσο με ___ που ονομάζεται bit ______ (Start bit) στην αρχή της αποστολής και ένα ή περισσότερα bit _____ (Stop bit) στο τέλος με τιμή ____.
4. Στην σειριακή επικοινωνία χρησιμοποιούμε δύο τύπους βυσμάτων, το ___ και το ____.
5. Η γραμμή ____ χρησιμοποιείται για την αποστολή των σειριακών δεδομένων ενός υπολογιστή.
6. Η γραμμή RD, χρησιμοποιείται για τη _____ των σειριακών δεδομένων σε ένα υπολογιστή
7. Όταν ένα modem ανιχνεύσει την ύπαρξη ενός άλλου modem στην τηλεφωνική γραμμή τότε θέτει τη γραμμή _____ στη σειριακή θύρα.
8. Ο υπολογιστής ενημερώνει το modem ότι πρόκειται να του στείλει δεδομένα μέσω της γραμμής ____. Από την άλλη το modem όποτε μπορεί να δεχθεί δεδομένα έχει ενεργοποιημένη τη γραμμή _____.
Προβλήματα:
1. Ο ASCII κωδικός του χαρακτήρα ‘Η’ είναι το 7210=010010002. Ζωγραφίστε την κυματομορφή στην έξοδο TD ενός υπολογιστή που στέλνει σειριακά το χαρακτήρα ‘H’ με ρυθμό baud 300 bps. Πόσο χρόνο θα χρειαστεί η αποστολή του χαρακτήρα ‘Η’; Υπολογίστε το χρόνο αυτό και στην περίπτωση όπου η αποστολή γίνεται με ρυθμό baud 9600 bps.
2. Συνδέουμε δύο υπολογιστές με τη βοήθεια ενός σειριακού καλωδίου Null-modem. Υπολογίστε το χρόνο που χρειαζόμαστε για να μεταφέρουμε ένα αρχείο των 400 kΒ από τον ένα υπολογιστή στον άλλο μέσω της σειριακής θύρας, εάν η επικοινωνία γίνεται με ρυθμό 57600 bps.
Επίδειξη - Πείραμα: Χρησιμοποιώντας ένα παλμογράφο μπορούμε να δούμε πώς ακριβώς μεταφέρονται σειριακά τα δεδομένα σε ένα υπολογιστή με τη βοήθεια κάποιου προγράμματος τερματικού όπως το πρόγραμμα HyperTerminal των Windows. Πατώντας συνέχεια κάποιο πλήκτρο στο πρόγραμμα θα βλέπουμε την αποστολή του από τη γραμμή TD της αντίστοιχης σειριακής θύρας.
