Универсальный асинхронный приемопередатчик UART

 

 

        Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, UART — узел вычислительных устройств, предназначенный для организации связи с другими цифровыми устройствами. Преобразует передаваемые данные в последовательный вид так, чтобы было возможно передать их по цифровой линии другому аналогичному устройству. Метод преобразования хорошо стандартизован и широко применялся в компьютерной технике.

        Представляет собой логическую схему, с одной стороны подключённую к шине вычислительного устройства, а с другой имеющую два или более выводов для внешнего соединения.

        UART может представлять собой отдельную микросхему или являться частью большой интегральной схемы (например, микроконтроллера). Используется для передачи данных через последовательный порт компьютера, часто встраивается в микроконтроллеры.

 

        Последовательный порт

serial port, COM-портcommunications port) — сленговое название интерфейса стандарта RS-232, которым массово оснащались персональные компьютеры. Порт называется «последовательным», так как информация через него передаётся по одному биту, последовательно бит за битом (в отличие от параллельного порта). Несмотря на то, что некоторые интерфейсы компьютера (например, Ethernet, FireWire и USB) тоже используют последовательный способ обмена информацией, название «последовательный порт» закрепилось за портом стандарта RS-232.

      В настоящее время в IBM PC-совместимых компьютерах практически вытеснен интерфейсом USB.

Существуют стандарты на эмуляцию последовательного порта над USB и над Bluetooth (эта технология в значительной степени и проектировалась как «беспроводной последовательный порт»).

 

 

 

 

Метод передачи и приёма

 

          Передача данных в UART осуществляется по одному биту в равные промежутки времени. Этот временной промежуток определяется заданной скоростью UART и для конкретного соединения указывается в бодах (что в данном случае соответствует битам в секунду).

          Существует общепринятый ряд стандартных скоростей: 300; 600; 1200; 2400; 4800; 9600; 19200; 38400; 57600; 115200; 230400; 460800; 921600 бод.

          Скорость (, бод) и длительность бита (, секунд) связаны соотношением

                                    

 Скорость в бодах иногда называют сленговым словом битрейт.

 

          Помимо собственно информационного потока, UART автоматически вставляет в поток синхронизирующие метки, так называемые стартовый и стоповый биты. При приёме эти лишние биты удаляются из потока. Обычно стартовый и стоповый биты обрамляют один байт информации (8 бит), однако встречаются реализации UART, которые позволяют передавать по 5, 6, 7, 8 или 9 бит.

         Обрамленные стартом и стопом биты являются минимальной посылкой. Некоторые реализации UART позволяют вставлять два стоповых бита при передаче для уменьшения вероятности рассинхронизации приёмника и передатчика при плотном трафике. Приёмник игнорирует второй стоповый бит, воспринимая его как короткую паузу на линии.

         Принято соглашение, что пассивным (в отсутствие потока данных) состоянием входа и выхода UART является логическая 1.

 

Стартовый бит всегда логический 0, поэтому приёмник UART ждёт перепада из 1 в 0 и отсчитывает от него временной промежуток в половину длительности бита (середина передачи стартового бита). Если в этот момент на входе всё ещё 0, то запускается процесс приёма минимальной посылки. Для этого приёмник отсчитывает 9 битовых длительностей подряд (для 8-битных данных) и в каждый момент фиксирует состояние входа. Первые 8 значений являются принятыми данными, последнее значение проверочное (стоп-бит).

Значение стоп-бита всегда 1, если реально принятое значение иное, UART фиксирует ошибку.

         Для формирования временных интервалов передающий и приёмный UART имеют источник точного времени (тактирования). Точность этого источника должна быть такой, чтобы сумма погрешностей (приёмника и передатчика) установки временного интервала от начала стартового импульса до середины стопового импульса не превышала половины (а лучше хотя бы четверти) битового интервала. Для 8-битной посылки 0,5/9,5 = 5 % (в реальности не более 3 %). Поскольку эта сумма ошибок приёмника и передатчика плюс возможные искажения сигнала в линии, то рекомендуемый допуск на точность тактирования UART — не более 1,5 %.

         Поскольку синхронизирующие биты занимают часть битового потока, то результирующая пропускная способность UART не равна скорости соединения. Например, для 8-битных посылок формата 8-N-1 синхронизирующие биты занимают 20 % потока, что для физической скорости 115 200 бод даёт битовую скорость данных 92 160 бит/с или 11 520 байт/с.

 

 

 

        Контроль чётности

 

данные

количество единичных бит

бит четности

even

odd

0000000

0

0

1

1010001

3

1

0

1101001

4

0

1

1111111

7

1

0

Основная статья: Бит чётности

Многие реализации UART имеют возможность автоматически контролировать целостность данных методом контроля битовой чётности. Когда эта функция включена, последний бит данных в минимальной посылке («бит чётности») контролируется логикой UART и содержит информацию о чётности количества единичных бит в этой минимальной посылке. Различают контроль на четность (англ. Even parity), когда сумма количества единичных бит в посылке является четным числом, и контроль на нечетность (англ. Odd parity), когда эта сумма нечетна. При приеме такой посылки UART может автоматически контролировать бит четности и выставлять соответствующие признаки правильного или ошибочного приема.

 

Короткая запись параметров

 

                Был выработан и прижился короткий способ записи параметров UART, таких, как

 количество бит данных - наличие и тип бита четности -  количество стоп-бит.

Выглядит как запись вида цифра-буква-цифра, где:

  • Первая цифра обозначает количество бит данных, например, 8.

 

  • Буква обозначает наличие и тип бита четности.

            N (No parity) — без бита четности;

            E (Even parity) — с битом проверки на четность,

            O (Odd parity) — с битом проверки на нечетность;

  • Последняя цифра обозначает длительность стоп-бита.

Встречаются значения 1, 1.5 и 2 для длительности стоп-бита в 1, 1.5 и 2 битовых интервала соответственно.

 

Например, запись 8-N-1 обозначает, что UART настроен на 8 бит данных без бита четности и один стоповый бит. Для полноты параметров эту запись снабжают указанием скорости UART, например, 9600/8-N-1.

 

                     Break

Специальная посылка - состоит из

               непрерывного нулевого состояния линии длительностью заведомо больше минимальной посылки, обычно 1,5 минимальных посылки (для 8N1 это 15 битовых интервалов). Некоторые коммуникационные протоколы используют это свойство, например, протокол LIN использует Break для обозначения нового кадра.

 

         Управление потоком

 

       Ранние устройства с UART могли быть настолько медлительными, что не успевали обрабатывать поток принимаемых данных.

       Для решения этой проблемы модули UART иногда снабжались отдельными выходами и входами управления потоком. При заполнении входного буфера логика принимающего UART выставляла на соответствующем выходе запрещающий уровень, и передающий UART приостанавливал передачу.

       Позже управление потоком возложили на коммуникационные протоколы (например, методом XOn/XOff), и надобность в отдельных линиях управления потоком постепенно исчезла.

        Физический уровень

 

             Логическая схема UART имеет входы-выходы с логическими уровнями, соответствующими полупроводниковой технологии схемы: КМОП, ТТЛ и т. д. Такой физический уровень может быть использован в пределах одного устройства, однако непригоден для коммутируемых длинных соединений по причине низкой защищённости от электрического разрушения и помехоустойчивости.   

             Для таких случаев были разработаны специальные физические уровни, такие, как токовая петля, RS-232, RS-485, LIN и тому подобные.

            Специфической разновидностью физического уровня асинхронного интерфейса является физический уровень IrDA.