2. Контроль четности
Контроль четности применяется компьютерами, модемами и другими устройствами для проверки целостности данных. Чтобы удостовериться, что данные не повреждены, модем на принимающей стороне просто подсчитывает количество единиц в каждом слове (пакете). Предположим, что модемы используют «нечетный» протокол для обмена данными. Тогда если принимающий модем обнаружит в каком-то слове четное количество бит, он будет знать, что в принятом слове ошибка. Знание этого позволит модему предпринять определенные действия. Он может просто выбросить пакет, либо попросить передающий модем повторить передачу поврежденного пакета. В параметрах связи типа 8-N-1 буква N означает отсутствие контроля четности. Работа без контроля четности значит, что к пакету данных бит четности не добавляется.
3. Стартовые и стоповые биты
Как было написано выше, при использовании асинхронных последовательных линий связи модемы передают данные пакетами с паузами переменной длины между ними. Следовательно, принимающий модем должен уметь определить начало и конец пакета. Множество протоколов связи используют так называемые стартовые и стоповые биты для того, чтобы модем правильно понимал поступающие данные. Стартовый бит, всегда равный единице, говорит компьютеру, что последующие биты представляют данные. Стоповый бит, всегда равный нулю, обозначает соответственно конец пакета данных.
Стартовые и стоповые биты применяются, чтобы принимающая сторона могла отличить пассивное состояние линии от состояния передачи данных. Ведь когда линия не занята, ее состояние может быть расценено как длинная последовательность нулей. Перед тем как передать данные, модем посылает стартовый бит, говорящий: «Эй, приготовься принимать мои данные». После передачи собственно пакета данных модем посылает стоповый бит для перевода линии связи опять в состояние «выключено». Пакет данных, посланный по протоколу 8-N-1, будет иметь длину в десять бит; один стартовый бит, восемь бит данных, ни одного бита четности и один стоповый бит.
4. Боды и биты в секунду
Довольно часто встречается мнение, что термин «бод)» равен скорости, измеренной в битах в секунду. Другими словами, люди считают, что скорость 1200 бод равна скорости 1200 бит в секунду (bits-per-second, bps). Однако это неправильно, модемы и другие передающие устройства посылают данные пакетами по восемь бит, вложенные между одним стартовым битом, одним стоповым битом и часто снабжаемые битом четности. Таким образом, каждый пакет данных имеет длину в десять или одиннадцать бит. Например, линия связи со скоростью 1200 бод передает в действительности от 110 до 120 байт в секунду. Аналогично, модем на 9600 бод передает от 850 до 960 байт в секунду. Используя технологии сжатия данных, новые модели модемов могут достигать очень высоких скоростей на тех же линиях связи.
Повстречавшись с термином «бод», вы можете с большой долей точности заменить его на «бит в секунду». Однако не забывайте, что при этом речь ведется не только о битах данных, но также и обо всех служебных битах, которые мы рассмотрели, не несущих полезной информации, а только облегчающих передачу данных по линии связи. Если модемы используют сжатие данных, действительная скорость передачи может превысить скорость линии, измеренную в битах в секунду, на 200 процентов.
UART и с чем его едят
После Vogue истерии появилось множество вопросов, как подключить плату к компьютеру. И многие люди даже не понимают, что же такое UART. И я решил рассказать здесь какой это мощный инструмент.
Роутер превращается в компьютер, если к нему по UART подключить клавиатуру и дисплей
От телеграфа к COM-порту
Протокол UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) или, по-русски, УАПП (универсальный асинхронный приемопередатчик) — старейший и самый распространенный на сегодняшний день физический протокол передачи данных. Наиболее известен из семейства UART протокол RS-232 (в народе – COM-порт, тот самый который стоит у тебя в компе). Это, наверное, самый древний компьютерный интерфейс. Он дожил до наших дней и не потерял своей актуальности.
Надо сказать, что изначально интерфейс УАПП появился в США как средство для передачи телеграфных сообщений, и рабочих бит там было пять (как в азбуке Морзе). Для передачи использовались механические устройства. Потом появились компьютеры, и коды ASCII, которые потребовали семь бит. В начале 60-х на смену пришла всем известная 8-битная таблица ASCII, и тогда формат передачи стал занимать полноценный байт, плюс управляющие три бита.
В 1971 году, когда уже начался бум микросхем, Гордон Белл для компьютеров PDP фирмы Western Digital сделал микросхему UART WD1402A. Примерно в начале 80-х фирмой National Semiconductor был создан чип 8520. В 90-е был придуман буфер к интерфейсу, что позволило передавать данные на более высоких скоростях. Этот интерфейс, не претерпев практически никаких изменений, дошел и до наших дней
Физика интерфейса
Чтобы понять, что роднит и отличает разные UART-интерфейсы, разберем принцип работы самого популярного и любимого нами протокола RS-232. Дотошно расписывать все тонкости его работы я не буду. Об этом написан ни один десяток мегабайт статей, и если ты умеешь пользоваться Гуглом, то без проблем найдешь всю необходимую информацию. Но основы я расскажу, благо с ними можно уже круто всем рулить, а всякие фишки используются очень редко.
Основные рабочие линии у нас – RXD и TXD, или просто RX и TX. Передающая линия – TXD (Transmitted Data), а порт RXD (Received Data) – принимающая.
Эти линии СОМ-порта задействованы при передаче без аппаратного управления потоком данных. При аппаратном потоке задействованы еще дополнительные интерфейсные линии (DTS, RTS и пр.). Выход передатчика TX соединен с входом приемника RX и наоборот. Электрический принцип работы RS-232 отличается от стандартной 5-вольтовой TTL логики. В этом протоколе логический нуль лежит от +3 до +12 вольт, а единица от -3 до -12, соответственно. Промежуток от -3 до +3 вольт считается зоной неопределенности. Учти, что все напряжения указаны относительно корпуса компьютера, или земли. Теперь, я думаю, ты понимаешь, зачем в компьютерном блоке питания существует сразу два напряжения: -12 и +12 вольт. Они были введены специально для работы СОМ-порта.
Приём сигнала по RS-232 (взято из книги М.Гук «Аппаратные интерфейсы ПК»)
Такая большая амплитуда рабочих напряжений, целых 24 вольта, нужна в первую очередь для помехоустойчивости линий связи. По стандарту, длина кабеля, по которому у нас бегают данные, может быть 15 м. Хотя на практике люди умудрялись заставлять его работать даже на 25 м. Электрические параметры RS-232 – это главная характеристика, которая отличает его от других протоколов семейства UART.
Следующие характеристики – формат посылки и скорость передачи данных – полностью применимы ко всем видам UART и обеспечивают их совместимость через несложные схемы сопряжения.
Стандартная посылка занимает 10 бит. Но правило это распространяется только на стандартные настройки СОМ-порта. В принципе, его можно перенастроить так, чтобы он даже интерфейс One-Wire понимал. В режиме простоя, когда по линии ничего не передается, она находится в состоянии логической единицы, или -12 вольт. Начало передачи обозначают передачей стартового бита, который всегда равен нулю. Затем идет передача восьми бит данных. Завершает посылку бит четности и стоповый бит. Бит четности осуществляет проверку переданных данных. Стоповый бит говорит нам, что пересылка данных завершена. Надо отметить, что STOP-бит может занимать 1, 1.5, и 2 бита. Не стоит думать, что это дробные биты, это число говорит только о его длительности. Стоповый бит, как и стартовый, равен нулю.
Сигнал UART на экране осциллографа. Виден старт бит, данные и стоповый бит. Спасибо DIHALTза картинку
Скорость работы
Даже если тебе раньше никогда не приходилось работать с СОМ-портом, по крайней мере, в модеме ты должен знать номинальные скорости работы: 9600, 28800, 33600, 56000 и т.п. Сколько бит в секунду убегает из нашего порта? Вот смотри, допустим, скорость у нас 9600 бит в секунду. Это означает, что передача одного бита будет занимать 1/9600 секунды, а пересылка байта – 11/9600. И такая скорость для байта верна только в случае, если стоп-бит будет занимать один бит. В случае, если он занимает два стоп-бита, то передача будет 12/9600. Это связано с тем, что вместе с битами данных передаются еще специальные биты: старт, стоп и бит четности. Линейка скоростей СОМ-порта стандартизирована. Как правило, все устройства работают на трех стандартных скоростях: 9600, 19200, 115200. Но возможны другие варианты, даже использование нестандартных скоростей или скорости, меняющейся во времени, – с этим я сталкивался при разборе полетов очередного устройства.
Такой разный протокол
Видов UART существует великое множество. Я не буду перечислять их наименования, ибо, если ты владеешь английским, то сумеешь и сам нагуглить. Но самые основные не отметить нельзя! Напомню, что главное отличие интерфейсов состоит в среде и способе передаче данных. Данные могут передаваться даже по оптоволокну.
Второй по распространению интерфейс после RS-232 – это RS-485. Он является промышленным стандартом, и передача в нем осуществляется по витой паре, что дает ему неплохую помехоустойчивость и повышенную скорость передачи до 4 мегабит в секунду. Длина провода тут может достигать 1 км. Как правило, он используется на заводах для управления разными станками.
Надо сказать, что IRDA, или инфракрасная связь, которая встроена в большинство телефонов и КПК, тоже по сути является UARTом. Только данные передаются не по проводам, а с помощью инфракрасного излучения.
В SMART-картах (SIM, спутниковое телевиденье, банковские карты) – тех самых устройствах, которые мечтает похачить каждый уважающий себя фрикер – тоже используется наш любимый UART. Правда, там полудуплексная передача данных, и логика работы может быть 1,8/3,3 и 5 вольт. Выглядит так, будто RX запаян с TX на одном конце и на другом – в результате, один передает, другой в этот момент слушает, и наоборот. Это регламентировано стандартом смарт-карт. Так мы точно знаем, сколько байт пошлем, и сколько нам ответит карточка. Тема достойна отдельной статьи. В общем, запомни, что UART есть практически везде.
Устройства, которые имеют на своём борту UART, по часовой стрелке: мышка, ридер-эмулятор SMART-карт, КПК Palm m105, отладочная плата для микроконтроллера ATtiny2313 (или AT89C2051), модем.
Сопряжение интерфейсов
Я уже глаза намозолил разными интерфейсами, но как с ними работать-то? Ну, с обычным RS-232 понятно, а, допустим, с 5-вольтовым юартом как быть? Все просто: существуют различные готовые микросхемы-преобразователи. Как правило, в маркировке они содержат цифры «232». Увидел в схеме микруху с этими цифирями – будь уверен: скорее всего, это преобразователь. Через такие микросхемы с небольшим обвязом и сопрягаются все интерфейсы UART. Я не буду рассказывать о промышленных интерфейсах, а скажу о тех преобразователях, которые интересуют нас в первую очередь.
Самый известный преобразователь интерфейса – это микросхема, разработанная фирмой MAXIM, которая и получила от нее часть своего названия (max232). Для ее работы требуется четыре конденсатора от 0,1 микрофарады до 4 микрофарад и питание 5 вольт. Удивительно, что эта микросхема из 5 вольт генерирует отрицательное напряжение, чтобы сопрягать 5-вольтовый UART с RS-232.
Существуют микросхемы сопряжения USB с UART, например, микросхема ft232rl. В Ubuntu для этой микросхемы уже встроены драйвера. Для Windows их придется качать с официального сайта. После установки драйверов в системе появится виртуальный СОМ-порт, и с ним уже можно рулить различными устройствами. Советую не принимать эти микросхемы, как единственно возможные. Найдется громадное количество более дешевых и интересных аналогов, посему наседай на Гугл и поймешь, что мир UARTа – это круто.
В целом, микросхемы стоят достаточно дорого и порой можно обойтись более сложными, но зато более дешевыми схемами на паре транзисторов.
Что нам это дает?
Как ты понял, интерфейс UART присутствует во многих устройствах, в которых стоит какой-либо процессор или контроллер. Я даже больше скажу: если там стоит контроллер, то юарт есть стопудово (только он не всегда может использоваться). Как правило, по этому интерфейсу идет наладка и проверка работоспособности девайса. Зачастую производитель умалчивает о наличии этого интерфейса в изделии, но найти его несложно: достаточно скачать мануал на процессор и, где находится юарт, ты будешь знать. После того, как ты получишь физический доступ к железяке по нашему интерфейсу, можно его настроить на свое усмотрение или даже заставить работать, так как надо тебе, а не как задумал производитель. В общем, – выжать максимум возможностей из скромного девайса. Знание этого протокола дает также возможность подслушать, что же творится в линиях обмена между различными процессорами, так как часто производители организуют целые юарт-сети в своем устройстве. В общем, применений много, главное – интуитивно понимать, как это делать.
Апдейтим роутер
Намедни я намутил себе WiFi-роутер WL-520GU и, прочитав статью Step’a «Level-up для точки доступа» (][ #106), успешно установил туда Linux. Но у меня возникли проблемы с монтированием swap-раздела жесткого диска. Так появилась необходимость посмотреть лог загрузки точки доступа – подмонтировался раздел или нет – причем, как говорится, на лету, чтобы сразу вносить необходимые изменения. Шестым чувством я подозревал, что в моем роутере просто обязан быть UART. Я взял в руки крестовую отвертку и начал его разбирать. Дело тривиальное, но с заковыркой – потайные винтики находятся под резиновыми ножками (если решишь повторить, помни, что при разборе ты лишаешься гарантии). Моему взору предстала достаточно скучная плата, где все «chip-in-one»: один центральный процессор, в который включено все, внешняя оператива, флеша, преобразователь питания и рядок разъемов с кнопками. Но на плате была не распаянная контактная площадка, точнее сказать, отверстия под иголки. Их было четыре штуки. Вот он UART, это очевидно! По плате даже без мультиметра видно, что крайние иголки – это +3,3 вольта и второй – земля. Средние контакты, соответственно, RX и TX. Какой из них что, легко устанавливается методом научного тыка (спалить интерфейс очень проблематично).
Сразу хочу отметить, что интерфейс UART в каждом роутере выглядит по-разному. В большинстве случаев, это не распаянные отверстия на плате. Правда, в одном роутере от ASUS я даже встретил полностью подписанный разъем.
Собираем преобразователь
Чтобы подключить роутер к компу, необходимо сопрячь интерфейсы RS-232 с UARTом роутера. В принципе, можно подключить к USB, используя указанную выше микросхему FT232RL, – что я и сделал при первой проверке роутера. Но эта микросхема – в достаточно сложном для пайки корпусе, посему мы поговорим о более простых решениях. А именно – микросхеме MAX232. Если ты собираешься питаться от роутера, то там, скорее всего, будет 3,3 вольта, поэтому лучше использовать MAX3232, которая обычно стоит в КПК (схему распайки нетрудно найти в инете). Но в моем роутере присутствовало питание +5 вольт на входе, а указанных микросхем у меня великое множество, и я не стал заморачиваться. Для сборки нам потребуются конденсаторы 0,1 мкФ (4 штуки) и сама микросхема. Запаиваем все по традиционной схеме, и начинаем эксперименты.
Исходники для сборки
На выход я сразу повесил 9-пиновый разъем типа «папа», чтобы можно было легко подключить нуль-модемный кабель. Если ты помнишь, во времена DOSа такими кабелями делали сетку из двух компов и резались в «Дюкнюкем». Провод для наших целей собрать несложно. Правда, получится не полный нуль-модем и через него особо не поиграешь, но рулить точкой доступа будет самое то! Тебе понадобятся два 9-пиновых разъема типа «мама», корпуса к ним и провод, например, от старой мышки или клавы (главное, чтобы в нем было три провода). Сначала соединяем земли ¬- это пятый контакт разъемов; просто берем любой провод и с обоих сторон припаиваем к 5-му контакту. А вот с RX и TX надо поступить хитрее. С одного конца провода запаиваем на 3-й контакт, а с другого – на 2-й. Аналогично с третьим проводом, только с одного конца запаиваем на 2-й контакт, с другого – на 3-й. Суть в том, что TX должен передавать в RX. Прячем запаянные разъемы в корпус — и готов нуль-модемный кабель!
Распаянные иголки на плате роутера.
Для удобства монтажа в материнку роутера я впаял штырьковый разъем, а в монтажку с MAX232 – обратный разъем и вставил платку, как в слот. RX и TX роутера подбираются экспериментально.
Собраная плата
Теперь надо запитать микросхему преобразователя. Общий провод у нас присутствует уже прямо в разъеме на мамке роутера. А вот + 5 вольт находится прямо у входа питания роутера, в месте, где подключается адаптер. Точку нахождения 5 вольт определяем вольтметром, измеряя разные узлы относительно земли роутера.
Подключаем питание. Включаем и начинаем наши злостные эксперименты.
Прожигаем отверстие для вывода проводов
Распаянный СОМ-порт
Всё в сборе. Обратите внимание, что красный провод питания идёт к разъёму адаптера роутера. Узелок внутри сделан, для того чтобы рывком на оторвать припаянные провода.
Настройка терминала
Нам нужно настроить терминальную программу. В Винде все достаточно просто: запускаем Hyper Terminal, отключаем программную и аппаратную проверку данных, выставляем скорость 115200 и один стоповый бит. А вот в Линухе дело обстоит чуть хитрее. У меня Ubuntu, и рассказывать буду про нее. Для начала разберись, как в твоей сборке именуется СОМ-порт. В моем случае СОМ1 был ttyS0 (если использовать к примеру микросхему FT232, то он будет именоваться ttyUSB0). Для работы с ним я использовал софтинку minicom.
Запускай ее с параметрами: minicom -l -8 -c on -s. Далее выбирай «Настройки последовательного порта»:
Последовательный порт /dev/ttyS0
* Скорость/четность/биты 115200 8N1
* Аппаратное управление потоком — нет
* Программное управление потоком — нет
Сохраняем настройки. Софтина попробует проинициализировать модем — не обращай внимания. Чтобы вызвать меню, нажми <ctrl-a z>. Там можно менять настройки, например: включить/выключить эхо — Е.
Настройка
Я не рекомендую подключать микросхему преобразователя к роутеру, дабы проверить ее функционал. Допускается только брать с него питание. Проверка проходит очень просто — необходимо перемкнуть RX с TX. Сначала перемыкаешь в СОМ-порте 2-й и 3-й контакт — проверяешь настройки терминалки. Пишешь что-то на клаве: если символы возвращаются, значит, все ОК. Также проверяешь кабель, те же контакты. Потом подключаешь микросхему, и уже у нее на выходе ставишь перемычку. Я заостряю на этом внимание, потому что, например, у меня возникли проблемы, и ничего не работало, пока я все не проверил и не нашел ошибку.
После всех настроек можешь смело цеплять к роутеру и искать RX-TX на роутере, периодически выдергивая из него питание. Если все сделано правильно, то при подаче питания ты увидишь лог загрузки роутера. Принимай поздравления, теперь у тебя полный аппаратный рут, так, будто ты сидишь за монитором с клавой роутера.
Лог загрузки роутера в программе minicom
Автономное плаванье
Согласись, делать через терминальную программу то же самое, что удобнее сделать через SSH – не айс. Мне хотелось превратить роутер в автономный Linux-компьютер, со своей хитрой архитектурой. Для этого нужно, чтобы данные с клавиатуры передавались по UART, и по нему же выводились на монитор. Паять и разрабатывать устройство было лениво. Тогда-то и пришла идея заюзать для этих целей пылящийся без дела КПК. По сути, наладонник будет исполнять роль контроллера клавиатуры и дисплея, ну и служить сопряжением интерфейсов.
Сначала я попробовал древнейший Palm m100. Но, видимо, у него очень маленькая буферная память, и от количества данных, которые идут с роутера, ему становилось плохо. Я взял другой — промышленный КПК, с нормальным СОМ-портом и терминалкой. Подключил, вставил в док и, в результате, получил небольшой линукс-компьютер. В принципе, вместо дорогущего промышленного КПК подойдет большинство наладонников, работающих под операционкой WinCE, главное – найти подходящий терминальный софт.
Линукс компьютер 🙂
Итоги
Итак, я показал небольшой пример использования UART. Если ты вкуришь в этот протокол, то поверь, станешь просто повелителем различных железок. Есть он практически везде, и через него можно сопрягать, казалось бы, совершенно разные вещи. К примеру, к тому же роутеру при небольших настройках подключается мобильный телефон по юарту, – и раздает с него интернет. В общем, применений куча. Не бойся экспериментировать, самообразовываться и реализовать свои идеи.
Этот пост является отредактированной для хабра версией моей статьи в Хакере № 05/09 «Главный инструмент фрикера».
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Стоповые биты — это двоичные единицы, которые поступают до тех пор, пока снова не появится нуль. Этот метод позволяет посылать данные в любое время; не существует никаких проблем и в быстрых или медленных телефонных соединениях. Протокол — формализованная совокупность соглашений, применяемая для установления и поддержания контакта между двумя обменивающимися устройствами. [1]
Стоповые биты в действительности не являются битами. [2]
Из-за отсутствия стартового и стоповых бит приемник и передатчик должны иметь общий генератор синхронизации, иначе в потоке данных синхронизация приемника нарушится. Следовательно, в канал связи необходимо ввести линию синхронизации. [3]
Синхронная передача — метод непрерывной передачи данных, в котором блоки данных передаются без окружения каждого индивидуального символа стартовыми и стоповыми битами . Вместо этого получающий информацию компьютер, используя очень точный синхронизатор, устанавливает сам, где требуется разделить поток данных на отдельные символы. Кроме того, каждый блок данных включает контрольную информацию, что позволяет выявить ошибки. Синхронная передача обеспечивает более высокие скорости обмена данными, в связи с чем этим методом обычно пользуются для передачи информации между большими ЭВМ и их терминалами. [4]
Регистр параметров канала LPR-16 — разрядный, в котором устанавливаются параметры для каждого канала, коли -, чество стоповых бит , количество бит в символе, паритет, скорость j приема и передачи. [5]
Для асинхронного последовательного вывода интерфейс должен преобразовывать данные из параллельной формы в последовательную и вводить бит паритета, стартовый и стоповые биты . [7]
Размер символа ( 5, 6, 7 или 8 бит), контроль символа ( четный, нечетный или отсутствует бит паритетного контроля), длина стоповых бит в скорость ггередачи ( от 50 до 9600 бит / с) асинхрон-аых линий устанавливаются программно для каждой линии. [8]
Формат передаваемых данных показан на рис. 8.9. Собственно данные ( содержащие 5, 6, 7 или 8 бит) сопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами . Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы времени. [10]
Чтобы послать символ по линии последовательной передачи на терминал с интерфейсом RS-232 или модем, компьютер должен передавать данные по одному биту, начиная передачу каждого символа со стартового бита и заканчивая одним или двумя стоповыми битами для разделения символов. Перед стоповыми битами может также добавляться бит четности, обеспечивающий рудиментарное обнаружение ошибок, что обычно требуется только при связи с мэйнфреймами. [12]
Стоповые биты данных являются одной из разновидностей так называемых граничных служебных битов. Столовый бит определяет конец цикла при асинхронной передаче ( промежуток времени между передаваемыми символами меняется) данных в кратковременном цикле. Если ваш дигитайзер подключен к компьютеру посредством достаточно короткого кабеля, также оставьте эти опции в покое. [13]
Чтобы послать символ по линии последовательной передачи на терминал с интерфейсом RS-232 или модем, компьютер должен передавать данные по одному биту, начиная передачу каждого символа со стартового бита и заканчивая одним или двумя стоповыми битами для разделения символов. Перед стоповыми битами может также добавляться бит четности, обеспечивающий рудиментарное обнаружение ошибок, что обычно требуется только при связи с мэйнфреймами. [15]
Простенькие примеры на ПЛИС. UART. Часть 0.
Приветствую уважаемые посетители сайта www.pikabu.ru. Решил продолжить статьи про разработку на ПЛИС. В первом посте я выложил самое начало, с чего стоило бы начать изучение ПЛИС. http://pikabu.ru/story/s_chego_nachat_izuchenie_fpga_plis__4.
Логичнее было бы продолжить постепенно объяснять базовые вещи. Но это был бы очень скучный, долгий и неинтересный материал, который бы только отпугнул и оттолкнул начинающих разработчиков своим объемом и сложностью. И я подумал, а не проще ли сначала показать, на что способна ПЛИС, как ведётся процесс разработки? Поэтому я решил выложить примеры простеньких проектов. А по задаваемым вопросам далее будет видно, какой материал лучше выкладывать.
В этом посте будет рассматриватся формальная постановка задачи написания простейшего приемника RS232, он же COM порт, он же UART*1 интерфейс, он же УАПП – Универсальный Асинхронный Приемо-Передатчик. Выбор пал на COM порт не просто так. Всё дело в том, что этот интерфейс самый простой для изучения и позволяет «подружить» компьютер и ПЛИС, научить их разговаривать друг с другом – передавать данные между собой. Сразу говорю, что полностью объяснять и расписывать все сигнальные линии и всю регистровую модель приемопередатчика я здесь не буду, поскольку для простой организации интерфейса между ПК и ПЛИС это нафиг не нужно. Более того, этого добра навалом во всемирной сетевой помойке и при желании или необходимости вы без проблем найдете всю интересующую вас информацию.
Внимание! Всё, что мною написано — это бред сумасшедшего это мои личные умозаключения, основанные на собственном опыте, на информации из различных источников, достоверность которых весьма спорная. Поэтому я не несу никакой ответственности за возможный вред, нанесенный вашей тонкой душевной организации, трату вашего бесценного времени. Поэтому пока не поздно закройте этот пост. А потом хорошо промойте глаза, желательно с мылом.
Внимание! КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНО подавать сигнал с COM порта компьютера напрямую в FPGA, без специальных преобразователей уровней! В данной статье я не рассматриваю вопросы согласования физических уровней COM порта, и ПЛИС. Исключение составляют виртуальные COM порты, реализуемые на микросхемах FTDI, имеющие уровни сигналов совместимые с ПЛИС.
Для начала совсем коротенько расскажу про протокол обмена информацией по COM порту. Вот посмотрите внимательно, на картинку:
Для начала введем некоторые определения. Высокое состояние линии – соответствует логической единице – лог.1. Низкое состояние линии соответствует логическому нулю – лог.0.
Что же мы видим на этой картинке? А мы видим кучу полезной информации, смотрим справа налево:
Изначально линия находится в состоянии лог.1.
Затем мы видим, что линия становится лог.0, на один период данных. Этот бит данных называется СТАРТ-БИТ, применяется для того, чтобы сообщить приёмнику о том, что началась передача одного пакета\кадра\фрейма информации.
После передачи СТАРТ-БИТА у нас начинают передаваться биты данных. Данные предаются ногами вперед начиная с младшего бита. Обычно в одной посылке 8 бит – т.е. 1 байт. Но это не всегда так. Как правило, сколько бит в посылке оговаривается заранее, и приёмник при приёме уже настроен на необходимое количество бит данных.
После того, как все биты данных переданы может передаваться контрольный бит – или его ещё называют бит четности\паритета (от анг parity). Например, если был выбран четный паритет, то после передачи данных, если количество бит данных было четным – передаётся бит паритета равным лог.1. Если количество бит данных было нечётным – то передаётся бит паритета равным лог.0.
При выбранном нечётном паритете всё в точности наоборот: передали нечётное количество бит данных – бит паритета равен лог.1. Если количество переданных бит было чётным – паритета равен лог.0. Бит паритета нужен для минимального контроля принятых данных. Принимая данные, приёмник подсчитывает количество принятых бит. Если паритет подсчитанный передатчиком не совпадает с принятым битом, означает, что произошёл сбой и работать с данными нельзя. Какой тип паритета будет, а также будет ли вообще использоваться бит паритета, опять же оговаривается до передачи данных.
Любая посылка заканчивается стоповым битом СТОП-БИТ. Во время действия стоп-бита линия данных должна находиться в лог. 1.
Был выработан и прижился короткий способ записи параметров передачи, 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. Если говорить про скорость, обычно говорят про бодовую скорость. Т.е скорость, с которой отправляется посылка, которая определяет период одного бита. Реальная скорость обмена информацией на скорости 9600/8-N-1 будет на 20% меньше, поскольку среди переданных 10 бит информацию несут только 8 бит, а остальные 2 бита это старт и стоп соответственно.
Асинхронным интерфейс называется так же не зря, у нас нет синхросигнала стробирующего данные. И приёмник должен сам синхронизироваться с передаваемыми данными, зная на какой тип передачи настроен передатчик. На этом наше знакомство с интерфейсом UART окончено, этих данных достаточно для реализации простейшего приёмника.
А сейчас я вас немного погружу информацией по ПЛИС, без которой нам не написать правильный приёмник. В частности я расскажу немного про клоковые домены.
Если взять за жабры гугл-переводчик и зпихать в него фразу «clock domain signals» – то он выдаст перевод: clock domain signals – сигналы тактовой области. Если говорить простыми словами то клоковый домен — это часть проекта, работающая на какой-то одной тактовой частоте. Если в проекте используется только одна тактовая частота – значит клоковый домен у нас один. Если тактовых частот две – значит клоковых доменов у нас уже два и.т.д*2.
Первое наперво, что надо уяснить при работе с ПЛИС – это то, что любой сигнал, пересекающий клоковый домен должен быть синхронизирован с клоковым доменом, в котором мы обрабатываем этот сигнал*3. Частный случай пересечения клокового домена – приём внешних данных, которые обрабатываются на частоте порожденной внутри ПЛИС блоком PLL*4 или на частоте тактирования этой ПЛИС от собственного тактового генератора.
Это очень важный момент, который обязательно надо учитывать при проектировании. Представим, что у нас есть проект, в котором, все триггеры срабатывают по переднему фронту. В проекте есть 9-разрядный счётчик, который работает на частоте 40MHz. Данные с этого счетчика поступают в другую часть проекта, работающего на частоте 37MHz. Т.е пересекают клоковый домен. Посмотрим картинку:
Сигнал CLK – синхросигнал работы счетчика, его частота 40MHz
Сигнал SCLR – сигнал синхронного сброса счётчика. Пока он в состоянии лог.1 счётчик не работает. Очевидно, что когда сигнал сброса прекратит своё действие счётчик заработает.
Сигнал DATA_OUT – выход счётчика..
Сигнал CLK_NEW_DOMAIN – синхросигнал другой части проекта, его частота 37MHz.
Когда сигнал сброса перестанет быть активным, после прихода синхроимпульса, счетчик изменит своё состояние, т.е. переключится из 0 в 1. Причём переключится не сразу, а через какое-то небольшое время. Когда придёт очередной синхроимпульс счетчик переключится из 1 в 2, и.т.д. счётчик же. Обратите внимание, что при переключении счётчика выходные 9 разрядов меняют свои значения не одновременно, а с небольшой задержкой, поскольку физически линии могут иметь разную длину, и разное время распространения сигнала. По одной из 9 линий сигнал пришел раньше, по другой позже, ничего страшного, это реальный мир. Из-за этого в моменты начала переключения счетчика он может выдать абсолютно любые значения, это нормально,
При неправильно сделанном проекте (как у меня на картинке), данные с этого счетчика обрабатываются по переднему фронту синхросигнала CLK_NEW_DOMAIN, например, записываются в регистр. Т.е данные не были правильно перенесены в новый клоковый домен — это серьезная ошибка !
Очевидно что, в зоне отмеченной красным в регистр запишется полная чушь. И поверьте, неправильные данные это меньшее из зол, как правило протоколы верхнего уровня фильтруют ошибочные пакеты. Самое страшное это то, что триггеры, из которых состоит регистр, могут попасть в так называемое метастабильное состояние, когда состояние триггера приняло некую величину промежуточную между состояниями лог.0 и лог. 1, или его выход данных вообще колеблется между ними. Это очень опасно, поскольку один кусок схемы воспримет это состояние как лог.0 , а другой кусок схемы воспримет как лог.1. и схема может выдать результат, которой разработчик даже не предполагал, вплоть до полного зависания схемы и потери работоспособности. Спасет только перезагрузка.
Приведу пример: вы разработали устройство, которое вам приносит тапки, или гладит котика, в зависимости от принятой команды. Но при проектировании этого устройства возможное метастабильное состояние вы не учли. И однажды, когда вы подали устройству команду принести тапки, устройство вместо того, чтобы принести вам тапки, начало с этим тапком гонятся за котиком. Котик очень недоволен!
Поэтому нельзя просто так взять и передать сигналы из одного клокового домена, в другой. Для того чтобы передать данные между клоковыми доменами их надо синхронизировать с частотой принимающего клокового домена. Блин ну вот напрашивается картинка:
Базовым синхронизатором является обычный последовательный сдвиговый регистр, который тактируется частотой нового клокового домена:
На его вход поступают асинхронные данные ADATA, а на выходе у него данные SDATA синхронные частоте нового клокового домена. Но у этой схемы есть один недостаток: если принимаемый асинхронный сигнал меньше периода синхрочастоты нового клокового домена или равен ей, существует вероятность потерять этот сигнал. Значит, напрашивается самый логичный вывод — приёмник должен работать на частоте большей, чем частота передатчика. Первая ближайшая частота, с которой должен работать передатчик – это частота как минимум в 2 раза быстрее частоты передачи данных.
Внимание вопрос, почему я не могу взять частоту приемника, к примеру, на 50% быстрее бодовой частоты? Ответы оставляйте в комментах.
Итак, частота работы приёмника должна быть выше частоты работы передатчика. А во сколько? В 2 раза, в 3 раза, в 5 раз? Оставим этот вопрос открытым. Далее я немножечко расскажу про ещё одну очень интересную схему, и после этого мы сложим весь пазл, в одно целое.
Представим ситуацию, вы собрались в компанию из 7 тел и решаете, куда бы вам завалиться, культурно отдохнуть. Одна часть решила пойти в бильярд шары погонять, другая часть хочет в боулинг, шары покатать. Альтернатив нет. Очевидно, что вся ваша компания идет туда, куда хочет большинство. Так вот в схемотехнике есть определенный класс схем, которые так же работают по принципу большинства. Такие схемы называются мажоритарные схемы. К чему я это всё пишу. Смотрим на картинку ниже:
Смотрим на верхнюю половину картинки. Пришла какая-то помеха, которая просадила нашу линию данных до лог.0. Вспомним условие старт-бита — это как раз перепад линии данных из 1 в 0. И если мы обработаем эту помеху как старт, и начнем принимать данные, то мы получим данные состоящие из 8 бит равных лог.1. Очевидно, что это ошибка, поскольку данные мы не отправляли, а приёмник что-то получил. Однако…
А если у нас очень много помех, и старт бит выглядит так, как на нижней части картинки?
Вот тут нам на помощь и приходят мажоритарные схемы: если большая часть времени битового интервала был лог.0, значит, приняли лог.0. Если большую часть времени битового интервала была лог.1, значит, приняли лог.1.
Теперь осталось определиться со временем, которое наш мажоритарный фильтр следит за битовым интервалом. У меня не просто так нижняя картинка со старт-битом была нарисована с 2 пиками помех. Всё дело в том, что очень часто любое изменение линии сопровождается неким высокочастотным звоном, особенно если линия несогласованна. И анализировать данные по краям битового интервала – это не совсем правильный подход. Стараются анализировать линии в середине битового интервала. При этом задача как можно более точно «нащупать» эту середину. Для этого применяют частоту приёмника в 16 раз больше частоты передачи, и примерно в середине бита делают 3 выборки. Почему именно значение 16? Первая причина – это то, что счетчик, считающий от 0 – до 15 это счетчик, который обнулятся сам, когда досчитает до конца, хотя точнее сказать счетчик не обнуляется, а у него происходит переполнение разрядов. Да и схемотехнически такие счётчики, более простые. А вот почему частота именно в 16 раз больше, а не в 8, тут сложно назвать какие-то объективные причины. Так сложилось исторически, и я не стал изобретать велосипед.
Итак, сделаем небольшой вывод:
1. Перед работой с данными мы их синхронизируем сдвиговым регистром.
2. Частота нашего передатчика в 16 раз больше частоты принимаемых данных.
3. В середине битового интервала делаем 3 выборки данных.
4. На основании 3 выборок мажоритарный фильтр делает вывод о значении принятого бита.
Вот картинка поясняющая принцип работы:
DATA_CLK – это частота с которой нам поступают данные. В реальности мы не имеем эту частоту, она показана просто для наглядности
UART_STATE_REG – это данные, которые нам передаются.
CLKx16 – частота работы нашего приёмника.
Красным отмечены места выборок для последующего определения того, что мы приняли.
Наш алгоритм действия можно представить в виде такой вот картинки. Сильно не ругайте, я не умею алгоритмы по ГОСТ рисовать.
Поскольку алгоритм у меня не очень красивый с точки зрения соблюдения ГОСТ, то дополнительно опишу все это словами.
Изначально приёмник следит за линией данных, и сбрасывает счетчик, который считает период битового интервала, и счетчик принятых бит.
Когда приёмник увидел, что на линии лог.0 он перестал сбрасывать счетчики и начинает делать выборки для проверки старт-бита.
Когда сделаны 3 выборки в середине битового интервала приёмник смотрит на то, что выдал мажоритарный фильтр. Если мажоритарный фильтр показал, что пришла лог.1, это означает старт-бит был ошибочный и скорее всего пришла помеха.
Если мажоритарный фильтр показал, что пришла лог.0 , это означает, что был принят старт-бит, и когда закончится период старт-бита, приёмник начнет принимать биты данных.
Изначально счетчик принятых битов равен 0, поскольку когда мы ждали старт-бита мы сбрасывали этот счетчик. При приёме данных в середине битового интервала приёмник опять сделал 3 выборки, и на основании того, что выдал мажоритарный фильтр, записал эти данные в регистр, в котором эти данные будут храниться.
В конце битового интервала приёмник проверил, сколько бит он уже принял. Если не все биты приняты, приёмник увеличит счетчик битов на 1, и совершит ещё один цикл приёма бита данных.
Если же все биты данных приняты, то приёмник начнёт анализировать стоп бит.
Анализ стоп-бита точно такой же, как и прошлые биты.
Вот только если фильтр покажет, что принятый бит это лог.0, значит произошла ошибка, и приёмник выставит флаг ошибки, поскольку стоп бит всегда лог.1. И перейдет в состояние ожидания нового старт-бита.
А если фильтр покажет что приняли лог.1 – значит всё в порядке. Приёмник выставит флаг о том, что данные в регистре правильные, и так же перейдет в состояние ожидания нового старт-бита.
На основании этого алгоритма можно сделать простой вывод о том, какие элементы нам понадобятся для его реализации:
1. Счетчик, считающий от 0 до 15, для того, чтобы можно было определять длительность периода старт, стоп бита, битов данных.
2. Счётчик от 0 до 7, считающий, сколько бит приняли.
3. 3 разрядный регистр, для хранения 3 выборок, чтобы провести голосование.
4. Мажоритарный фильтр.
5. 8 разрядный регистр для хранения принимаемых бит данных.
А ещё нам нужна фиговина которая всем этим барахлом управляет:
Эта вот фиговина называется цифровой автомат и будет управлять нашими счетчиками и регистрами, записывать данные, сбрасывать и пр. Я не буду подробно объяснять работу цифровых автоматов, поскольку это отдельная статья, при чём не маленькая. Чуть подробнее можете с автоматами ознакомиться тута:
На этом моменте я вынужден статью закончить. Поскольку дальнейшее объяснение как это все реализовать внутри ПЛИС и промоделировать потребует серьезного увеличения длины поста. Да и у меня к вам появился серьёзный вопрос. Каким образом мне построить продолжение? Основная проблема в том, что дальше будет достаточно много кода на VHDL. И если его выложить сюда, то он развалится из-за того, что pikabu не содержит тегов для вставки кода. Пока ничего лучше, чем выложить кучу скриншотов кусков кода на ум не приходит. А в конце просто дать несколько ссылок на исходники.
*1. Не совсем корректно так говорить, поскольку RS232 он же COM – это одна из разновидностей UART, написал для упрощения.
*2. Отдельный разговор про частоты, кратные основной, полученные делением на счетчике.
*3. Опять же не совсем корректно так говорить, поскольку существуют специальные алгоритмы, где не сигналы синхронизируются, а синхронизируются флаги валидности данных, так называемые алгоритмы handshake.
*4. Специальная фиговина внутри ПЛИС, которая может создать из частоты, от которой тактируется ПЛИС новую частоту.