Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Все современные интерфейсы, предназначенные для обмена данными между некоторыми устройствами (USB, FireWare, Serial АТА, Ethernet и т. п.), — последовательные. Исключение составляют до сих пор распространенные IDЕ (АТА) — интерфейсы жестких дисков и совершенно уже устаревший, но еще «живой» интерфейс LPT, который когда-то использовался не только для подсоединения принтеров, но даже цифровых камер и сканеров.

Почему так? Казалось бы, преимущество параллельной передачи данных перед последовательной видно невооруженным взглядом — в то время как по одному проводу за такт передается всего один бит, по восьми проводам — сразу целый байт. Однако такое естественное представление справедливо только для относительно небольших скоростей обмена. Когда речь заходит

о скоростях, превышающих единицы Мбайт/с (десятки Мбит/с), преимущества параллельной передачи становятся вовсе не столь однозначными. Ведь в параллельной линии отдельные проводники всегда немного разные, отчего при увеличении длины кабеля и скорости передачи биты, передаваемые по разным проводам, начинают «разъезжаться» по времени: одни приходят чуть раньше, другие чуть позднее. По научному это называется фазовым сдвигом . Этот самый сдвиг сказывается при достаточно высоких скоростях уже на очень небольших расстояниях, например, при стандартной ныне тактовой частоте системной шины ПК 533 МГц (и тем более при 1066 МГц), материнскую плату приходится проектировать гак, чтобы проводники, связывающие процессор и память, были строго параллельными и имели одинаковую длину. Учитывая, что число одних только линий данных доходит до 128, можно себе представить, какая головоломная задача встает перед конструкторами. Несравненно проще повышать частоту последовательного канала, ведь там за каждый такт передается всего один бит, и сам такт мы теоретически можем сделать сколь угодно коротким, т. к. все зависит только от быстродействия оборудования. Оказывается выгоднее заложить максимум функциональности в микросхемы, чем иметь дело с толстенными «шлангами» с сотней проводов внутри.

В микроконтроллерных устройствах с нашими объемами данных, конечно, скорость передачи нас волнует в последнюю очередь, но вот количество соединительных проводов — очень критичный фактор. Поэтому все внешние устройства, с которыми мы будем иметь дело в этой книге, будут иметь последовательные интерфейсы. Из всех доступных мы рассмотрим два, которых достаточно для удовлетворения первостепенных нужд: это классический интерфейс UART и универсальный I 2С.

Сначала разберемся в терминах, которые имеют отношение к предмету разговора. В компьютерах есть COM-порт (в противном случае его всегда можно эмулировать через USB, как мы увидим в главе 18), часто ошибочно называемый портом RS-232. Правильно сказать так: COM-порт передает данные, основываясь на стандарте последовательного интерфейса RS-232. Последний, кроме собственно протокола передачи, стандартизирует также и электрические параметры и даже всем знакомые разъемы DB-9 и DB-25. UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, «универсальный асинхронный приемопередатчик») есть основная часть любого устройства, поддерживающего RS-232, но и не только его (недаром он «универсальный»), например, стандарты RS-485 и RS-422 также реализовываются через UART. Мы будем здесь рассматривать только RS-232, как самый простой.

Кроме UART, в состав RS-232 (в том числе в COM-порт ПК) входит схема преобразования логических уровней в уровни RS-232, где биты передаются разнополярными уровнями напряжения, притом инвертированными относительно UART. В UART действует положительная логика с обычными логическими уровнями, где логической единице соответствует высокий уровень (+3 или +5 В), а логическому нулю — низкий (О В). У RS-232 наоборот, логическая единица есть отрицательный уровень от -3 до -12 В, а логический ноль — положительный уровень от +3 до +12 В. Преобразователь уровня в МК, естественно, не входит, так что для состыковки с компьютером придется его «изобретать». Этот вопрос мы в подробностях рассмотрим в главе 18 , поэтому схемы в этой главе будут лишены узла сопряжения с ПК.

Для того чтобы доделать устройства до конца, вам придется еще выбрать наиболее подходящую для ваших условий схему сопряжения из указанных в главе 18 .

Перед тем как обсуждать UART, рассмотрим подробнее, как, собственно, происходит обмен. Стандарт RS-232 — один из самых первых протоколов передачи данных между устройствами, он был утвержден еще в 1969 году, и к компьютерам (тем более ПК) тогда еще не имел никакого отношения. Идея этого интерфейса заключается в передаче целого байта по одному проводу в виде последовательных импульсов, каждый из которых может быть «0» или «1». Если в определенные моменты времени считывать состояние линии, то можно восстановить то, что было послано.

Однако эта простая идея натыкается на определенные трудности. Для приемника и передатчика, связанных между собой тремя проводами («земля» и два сигнальных провода «туда» и «обратно»), приходится задавать скорость передачи и приема, которая должна быть одинакова для устройств на обеих концах линии. Эти скорости стандартизированы, и выбираются из ряда 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 56000, 57600, 115200, 128000, 256000 (более медленные скорости я опустил). Число это обозначает количество передаваемых/принимаемых бит в секунду. Отметим, что стандарт RS-232E устанавливает максимальную скорость передачи 115200, однако функции Windows позволяют установить и более высокую скорость. Но не все схемы преобразования уровней могут пропустить через себя такие сигналы, и это следует учитывать при проектировании.

Проблема состоит в том, что приемник и передатчик — это физически совершенно разные системы, и скорости эти для них не могут быть строго одинаковыми в принципе (из-за разброса параметров тактовых генераторов), и даже если их каким-то образом синхронизировать в начальный момент, то они в любом случае быстро «разъедутся».

Заметки на полях

Такая же идея лежит в основе всех последовательных интерфейсов, они различаются только способами синхронизации. Например, в интерфейсе SPI, в том числе в его варианте для программирования МК, синхронизирующие импульсы передаются по отдельной, специально выделенной линии. Это облегчает задачу синхронизации, но требует большего количества проводов (не менее четырех, включая «землю»). А модемы или, к примеру, устройства Ethernet могут работать вообще всего по двум проводам, благодаря довольно сложному протоколу. Интерфейсы UART и 1C, которые мы будем изучать, требуют трехпроводного соединения (включая «землю»), однако различаются по назначению линий.