Последовательный порт - Википедия - Serial port

Эта статья требует внимания эксперта в области вычислений. Увидеть страница обсуждения для подробностей. WikiProject Computing может помочь нанять эксперта. (Ноябрь 2020)

А мужской D-сверхминиатюрный разъем, используемый для последовательного порта на Совместимость с IBM PC компьютер вместе с символом последовательного порта

В вычисление, а Серийный порт это последовательная связь интерфейс через который информация передается в или из последовательно один кусочек вовремя.^[1] Это в отличие от параллельный порт, который передает несколько бит одновременно в параллельно. На протяжении большей части истории персональные компьютеры, данные были переданы через последовательные порты на такие устройства, как модемы, терминалы, разные периферийные устройства, и напрямую между компьютерами.

Хотя такие интерфейсы, как Ethernet, FireWire, и USB также отправлять данные как серийный транслировать, период, термин Серийный порт обычно обозначает аппаратное обеспечение совместимый с RS-232 или соответствующий стандарт, например RS-485 или же RS-422.

Современные потребительские ПК в значительной степени заменили последовательные порты на более высокоскоростные стандарты, в первую очередь USB. Однако последовательные порты по-прежнему часто используются в приложениях, требующих простых низкоскоростных интерфейсов, таких как системы промышленной автоматизации, научные инструменты и т. Д. торговая точка системы и некоторые промышленные и потребительские товары.

Сервер компьютеры могут использовать последовательный порт в качестве консоли управления для диагностики, в то время как сетевое оборудование (Такие как маршрутизаторы и переключатели ) обычно используют последовательные консольные порты для настройки, диагностики и доступа для аварийного обслуживания. Чтобы взаимодействовать с этими и другими устройствами, Преобразователи USB в последовательный порт можно быстро и легко добавить последовательный порт к современному ПК.

Аппаратное обеспечение

В настоящее время многие устройства используют Интегральная схема называется UART для реализации последовательного порта. Эта ИС преобразует символы в и из асинхронный последовательный форма, реализующая синхронизацию и кадрирование данных, заданных последовательным протоколом, аппаратно. IBM PC реализует свои последовательные порты, если они есть, с одним или несколькими UART.

Очень недорогие системы, например некоторые ранние домашние компьютеры, вместо этого будет использовать ЦПУ отправить данные через выход булавка, используя немного стучать техника. Эти ранние домашние компьютеры часто имели собственные последовательные порты с разводкой контактов и уровнями напряжения, несовместимыми с RS-232.

Перед крупномасштабная интеграция (LSI) сделал UART общими, последовательные порты широко использовались в мэйнфреймы и миникомпьютеры, который будет иметь несколько небольших интегральных схем для реализации регистров сдвига, логических вентилей, счетчиков и всей другой необходимой логики. По мере развития ПК последовательные порты были включены в Супер ввод / вывод чип, а затем в чипсет.

IBM PC Последовательная карта с 25-контактным разъемом (устаревшая 8-битная ЭТО карта)

А PCI Express × 1 карта с одним последовательным портом

Четырехпортовый последовательный (RS-232) PCI Express × 1 карта расширения с осьминог кабель который разбивает разъем DC-37 карты на четыре стандартных разъема DE-9

Преобразователь с USB на последовательный порт, совместимый с RS-232; больше, чем физический переход, для этого требуется драйвер в программном обеспечении хост-системы и встроенный процессор для эмуляции функций IBM XT совместимое оборудование последовательного порта.

DTE и DCE

Отдельные сигналы на последовательном порту являются однонаправленными, и при подключении двух устройств выходы одного устройства должны быть подключены к входам другого. Устройства делятся на две категории: терминальное оборудование данных (DTE) и оконечное оборудование цепи данных (DCE). Линия, которая является выходом устройства DTE, является входом устройства DCE и наоборот, поэтому устройство DCE может быть подключено к устройству DTE с помощью прямого проводного кабеля, в котором каждый контакт на одном конце идет к одному и тому же пронумерованному булавка на дальнем конце.

Обычно компьютеры и терминалы - это DTE, а модемы и периферийные устройства - это DCE. Если необходимо подключить два устройства DTE (или DCE) вместе, кабель с перевернутыми линиями TX и RX, известный как переход, переворачивание или нуль-модем кабель должен использоваться.

Мужской и женский

Как правило, разъемы последовательного порта имеют гендерный характер, что позволяет соединять разъемы только с разъемом противоположного пола. С D-сверхминиатюрный штекерные соединители имеют выступающие штыри, а гнездовые соединители имеют соответствующие круглые гнезда.^[2] Разъемы любого типа могут быть установлены на оборудовании или на панели; или заделать кабель.

Разъемы, установленные на DTE, скорее всего, будут штыревыми, а разъемы, установленными на DCE, скорее всего, будут гнездовыми (с противоположными разъемами кабеля). Однако это далеко не универсально; например, у большинства последовательных принтеров есть гнездовой разъем DB25, но они являются DTE.^[3] В этом случае сменщик пола может использоваться для исправления несоответствия.

Разъемы

Единственный разъем, указанный в исходном стандарте RS-232, был 25-контактным. D-сверхминиатюрный однако использовалось множество других разъемов, помимо прочего, для экономии денег или физического пространства. В частности, поскольку многие устройства не используют все 20 сигналов, определенных стандартом, часто используются разъемы с меньшим количеством контактов.

Последовательный порт ПК окрашен, как указано в ПК 97 стандарт

9-контактный DE-9 разъем используется на большинстве IBM-совместимых ПК с момента появления опции последовательного / параллельного адаптера для ПК-АТ, где он позволял использовать последовательный и параллельный порт на одной карте.^[4] Это использование было стандартизировано как TIA-574.

Некоторая миниатюрная электроника, в частности графические калькуляторы^[5] и ручной любитель и двустороннее радио оборудование,^[6] иметь последовательные порты, используя телефонный разъем, обычно это меньшие разъемы 2,5 или 3,5 мм и самый простой 3-проводный интерфейс.

Ролловерный кабель Cisco, использующий стандарт 8P8C Yost

8P8C разъемы также используются во многих устройствах. В EIA / TIA-561 стандарт определяет распиновку с использованием этого разъема, а опрокидывающийся кабель (или стандарт Йоста) обычно используется на Unix компьютеры и многие сетевые устройства, например, оборудование из Cisco Systems.^[7]

Пара женский Мини DIN-8 разъемы, используемые для RS-422 последовательные порты на Macintosh LC компьютер

Многие модели Macintosh предпочитают соответствующий стандарт RS-422, в основном используя круговой разъемы mini-DIN, кроме самых ранних моделей. Macintosh включал стандартный набор из двух портов для подключения к принтеру и модему, но некоторые PowerBook у ноутбуков был только один комбинированный порт для экономии места.^[8]

10P10C разъемы можно найти на некоторых устройствах. Корпорация цифрового оборудования определили свои DECconnect система подключения, основанная на Модифицированный модульный домкрат (MMJ) разъем. Это 6-контактный модульный Джек где ключ смещен от центрального положения. Как и в стандарте Yost, DECconnect использует симметричную схему контактов, которая обеспечивает прямое соединение между двумя DTE.^[9]

Другим распространенным разъемом является разъем заголовка DH10, распространенный на материнских платах и ​​дополнительных картах, который обычно преобразуется с помощью кабеля в более стандартный 9-контактный разъем DE-9 (и часто устанавливается на плате со свободным слотом или другой части корпуса). .^[10]

Бесчисленное множество других разъемов использовалось для соединений RS-232.

Распиновка

В следующей таблице перечислены часто используемые сигналы RS-232 и назначение контактов.^[11]

Сигнальная земля - ​​это общий возврат для остальных подключений; он появляется на двух выводах в стандарте Йоста, но является одним и тем же сигналом. Разъем DB-25 включает второе «защитное заземление» на контакте 1, которое предназначено для подключения каждого устройства к собственному заземлению корпуса или аналогичному устройству. Подключение к контакту этого 7 (опорный сигнал заземления) является обычной практикой, но не рекомендуется.

Обратите внимание, что EIA / TIA 561 объединяет DSR и RI,^[17][18] а стандарт Йоста сочетает DSR и DCD.

Порты с питанием

Некоторые последовательные порты на материнских платах или дополнительных картах снабжены перемычками, которые выбирают, подключается ли контакт 1 разъема DE-9 к DCD или напряжению источника питания, а также к контакту 9 разъема DE-9 для подключения к RI или к источнику питания. напряжение питания. Напряжение питания может быть установлено на +5 В, +9 В, +12 В или заземление в зависимости от производителя. Мощность требовалась для некоторых мышей и торговая точка оборудование.

Аппаратная абстракция

Операционные системы обычно создают символические имена для последовательных портов компьютера, а не требуют, чтобы программы обращались к ним по адресу оборудования.

Unix-подобный операционные системы обычно маркируют устройства последовательного порта / dev / tty *. TTY это обычное сокращение для обозначения телетайп, устройство, обычно подключенное к последовательным портам ранних компьютеров, и * представляет строку, определяющую конкретный порт; синтаксис этой строки зависит от операционной системы и устройства. На Linux, 8250 /16550 UART аппаратные последовательные порты названы / dev / ttyS *, USB-адаптеры отображаются как / dev / ttyUSB * и различные типы виртуальных последовательных портов не обязательно имеют имена, начинающиеся с tty.

В ДОС и Windows среды относятся к последовательным портам как COM порты: COM1, COM2 и т. д. К портам с номерами больше COM9 следует обращаться с использованием синтаксиса . COM10.^[19]

Общие приложения для последовательных портов

Стандарт RS-232 используется многими специализированными и изготовленными на заказ устройствами. В этот список включены некоторые из наиболее распространенных устройств, подключенных к последовательному порту на ПК. Некоторые из них, такие как модемы и последовательные мыши, перестают использоваться, в то время как другие легко доступны.

Последовательные порты очень распространены на большинстве типов микроконтроллер, где их можно использовать для связи с ПК или другими последовательными устройствами.

Поскольку управляющие сигналы для последовательного порта могут быть легко включены и выключены с помощью переключателя, некоторые приложения использовали линии управления последовательного порта для мониторинга внешних устройств без обмена последовательными данными. Обычное коммерческое применение этого принципа было для некоторых моделей бесперебойный источник питания которые использовали линии управления для сигнализации потери мощности, низкого заряда батареи и другой информации о состоянии. По крайней мере некоторые азбука Морзе в обучающем программном обеспечении использовался кодовый ключ, подключенный к последовательному порту, для имитации фактического использования кода. Биты состояния последовательного порта могут быть дискретизированы очень быстро и в предсказуемое время, что позволяет программному обеспечению расшифровывать азбуку Морзе.

Настройки

Серийные стандарты предусматривают множество различных рабочих скоростей, а также корректировки протокола для учета различных условий эксплуатации. Наиболее известные параметры - это скорость, количество бит данных на символ, четность и количество стоповых битов на символ.

В современных последовательных портах с использованием UART интегральная схема, все эти настройки могут управляться программно. Для оборудования 1980-х годов и ранее может потребоваться установка переключателей или перемычек на печатной плате.

Конфигурация последовательных портов, предназначенная для подключения к ПК, стала стандартом де-факто, обычно обозначаемым как 9600/8-Н-1.

Скорость

Последовательные порты используют двухуровневую (двоичную) сигнализацию, поэтому скорость передачи данных в битах в секунду равна скорости передачи символов в бод. Стандартный ряд ставок основан на кратных ставках для электромеханических телепринтеры; некоторые последовательные порты позволяют выбрать множество произвольных скоростей, но скорости на обеих сторонах соединения должны совпадать, иначе данные будут приниматься как тарабарщина.

Возможность установить скорость передачи данных не означает, что в результате будет установлено рабочее соединение. Не все скорости передачи данных возможны для всех последовательных портов. Некоторые специальные протоколы, такие как MIDI для управления музыкальными инструментами используйте скорость последовательной передачи данных, отличную от стандартов телетайпа. Некоторые реализации последовательного порта могут автоматически выбирать скорость передачи данных, наблюдая, что подключенное устройство отправляет и синхронизируется с ним.

Общая скорость включает биты для кадрирования (стоповые биты, четность и т. Д.), Поэтому эффективная скорость передачи данных ниже, чем скорость передачи битов. Например, с 8-Н-1 кадрирование символов, для данных доступно только 80% битов; на каждые восемь бит данных отправляются еще два бита кадрирования.

Обычно поддерживаемые скорости передачи данных включают 75, 110, 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит / с.^[21]

Кварцевые генераторы с частотой 1.843200 МГц продаются специально для этого. Это в 16 раз больше максимальной скорости передачи данных, и схема последовательного порта может легко разделить ее на более низкие частоты по мере необходимости.

Биты данных

Количество битов данных в каждом символе может быть 5 (для Код Бодо ), 6 (используется редко), 7 (для истинного ASCII ), 8 (для большинства типов данных, поскольку этот размер соответствует размеру байт ) или 9 (используется редко). 8 бит данных почти повсеместно используются в новых приложениях. 5 или 7 бит обычно имеют смысл только со старым оборудованием, таким как телетайп.

Большинство схем последовательной связи отправляют биты данных в каждом байте LSB (младший бит ) первый. Этот стандарт также называют "прямым порядком байтов".

Также возможно, но редко используется, "прямой порядок байтов" или MSB (старший бит ) первый; это использовалось, например, IBM 2741 печатный терминал.

Порядок битов обычно не настраивается в интерфейсе последовательного порта, но определяется хост-системой. Для связи с системами, которые требуют порядка битов, отличного от локального по умолчанию, локальное программное обеспечение может переупорядочивать биты в каждом байте непосредственно перед отправкой и сразу после получения.

Паритет

Паритет это метод обнаружения ошибок при передаче. Когда четность используется с последовательным портом, дополнительный бит данных отправляется с каждым символом данных, организованный таким образом, что количество 1 бит в каждом символе, включая бит четности, всегда нечетное или всегда четное. Если байт получен с неправильным числом единиц, значит, он поврежден. Однако четное количество ошибок может пройти проверку на четность.

Электромеханические телепринтеры были приспособлены для печати специального символа, когда полученные данные содержали ошибку четности, чтобы позволить обнаруживать сообщения, поврежденные линейный шум. Один бит четности не позволяет реализовать исправление ошибки на каждого персонажа и протоколы связи работа по последовательным каналам передачи данных будет иметь механизмы более высокого уровня для обеспечения достоверности данных и запроса повторной передачи данных, которые были получены неправильно.

Бит четности в каждом символе может быть установлен в одно из следующих значений:

• Нет (N) означает, что бит четности вообще не отправляется.
• Нечетный (O) означает, что бит четности установлен так, что количество «логических единиц» должно быть нечетным.
• Даже (E) означает, что бит четности установлен так, что количество «логических единиц» должно быть четным.
• Марк (M) четность означает, что бит четности всегда установлен в состояние сигнала метки (логическая 1).
• Космос (S) Контроль четности всегда отправляет бит четности в состоянии сигнала пробела (логический 0).

За исключением необычных приложений, которые используют последний бит (обычно 9-й) для той или иной формы адресации или специальной сигнализации, метка или пробел не являются обычным явлением, поскольку не добавляют информации об обнаружении ошибок.

Нечетная четность более полезна, чем четная, поскольку она гарантирует, что по крайней мере одно изменение состояния происходит в каждом символе, что делает его более надежным при обнаружении ошибок, подобных тем, которые могут быть вызваны несоответствием скорости последовательного порта. Однако наиболее распространенной настройкой четности является «нет», а обнаружение ошибок обрабатывается протоколом связи.

Стоповые биты

Стоповые биты, отправляемые в конце каждого символа, позволяют аппаратному обеспечению принимающего сигнала определять конец символа и повторно синхронизироваться с потоком символов. В электронных устройствах обычно используется один стоповый бит. Если медленный электромеханический телепринтеры используются полторы или два стоповых бита.

Условные обозначения

Стандартное обозначение данных / четности / остановки (D / P / S) определяет формирование кадра последовательного соединения. Чаще всего на микрокомпьютерах используется 8 / N / 1 (8N1). Это определяет 8 бит данных, без контроля четности, 1 стоповый бит. В этом обозначении бит четности не включается в биты данных. 7 / E / 1 (7E1) означает, что бит четности добавляется к 7 битам данных, всего 8 бит между стартовым и стоповым битами. Если получатель потока 7 / E / 1 ожидает поток 8 / N / 1, половина возможных байтов будет интерпретироваться как имеющая установленный старший бит.

Управление потоком

Управление потоком используется в случаях, когда передатчик может отправлять данные быстрее, чем приемник может их обработать. Чтобы справиться с этим, последовательные линии часто включают подтверждение связи метод, обычно различающий аппаратное обеспечение и программного обеспечения подтверждение связи.

Аппаратное подтверждение связи выполняется с помощью дополнительных сигналов, часто сигнальных цепей RS-232 RTS / CTS или DTR / DSR. Обычно RTS и CTS выключаются и включаются с альтернативных концов для управления потоком данных, например, когда буфер почти заполнен. DTR и DSR обычно включены постоянно и, в соответствии со стандартом RS-232 и его преемниками, используются для сигнализации с каждой стороны о том, что другое оборудование действительно присутствует и включено. Однако на протяжении многих лет производители создали множество устройств, в которых реализованы нестандартные варианты стандарта, например, принтеры, использующие DTR в качестве управления потоком.

Программное подтверждение связи делается, например, с ASCII управляющие символы XON / XOFF для управления потоком данных. Символы XON и XOFF отправляются получателем отправителю, чтобы контролировать, когда отправитель будет отправлять данные, то есть эти символы идут в направлении, противоположном отправляемым данным. Схема запускается в состоянии «отправка разрешена». Когда буфер получателя приближается к емкости, получатель отправляет символ XOFF, чтобы сообщить отправителю о прекращении отправки данных. Позже, после того, как получатель опустошил свои буферы, он отправляет символ XON, чтобы сообщить отправителю о возобновлении передачи. Это пример внутриполосная сигнализация, где управляющая информация отправляется по тому же каналу, что и ее данные.

Преимущество аппаратного подтверждения связи состоит в том, что оно может быть чрезвычайно быстрым; он не придает никакого особого значения, например ASCII, передаваемым данным; и это без гражданства. Его недостаток состоит в том, что для этого требуется больше оборудования и кабелей, которые должны быть совместимы с обоих концов.

Преимущество программного подтверждения связи состоит в том, что его можно выполнить с помощью отсутствующих или несовместимых аппаратных схем и кабелей. Недостатком, общим для всех внутриполосных управляющих сигналов, является то, что они создают сложности в обеспечении того, чтобы а) сообщения управления проходили, даже если сообщения с данными заблокированы, и б) данные никогда не могли быть приняты за сигналы управления. Первым обычно занимается операционная система или драйвер устройства; последнее обычно, гарантируя, что контрольные коды "сбежал "(например, в Протокол Кермита ) или опущены по дизайну (например, в Терминальное управление ANSI ).

Если без рукопожатия Если используется, приемник переполнения может просто не получить данные от передатчика. Способы предотвращения этого включают снижение скорости соединения, чтобы получатель всегда мог не отставать; увеличение размера буферы так что он может поддерживать усреднение в течение более длительного времени; используя задержки после длительных операций (например, в termcap ) или с помощью механизма повторной отправки поврежденных данных (например, TCP ).

Виртуальные последовательные порты

Виртуальный последовательный порт - это имитация стандартного последовательного порта. Есть несколько вариантов использования.

Перенаправление последовательного порта

Перенаправление последовательного порта программное обеспечение создает дополнительные виртуальные последовательные порты в операционной системе без установки дополнительного оборудования (например, карты расширения и т. д.), чтобы разделять или перенаправлять данные в последовательный порт и из него для различных приложений.

Один из вариантов - разделить данные между несколькими приложениями. Последовательный порт обычно может контролироваться только одним устройством за раз в соответствии с ограничениями большинства операционных систем, но перенаправитель последовательного порта может создать два виртуальных порта, чтобы два отдельных приложения могли отслеживать одни и те же данные, например, GPS устройство, выводящее данные о местоположении.

Другой вариант - связаться с другим последовательным устройством через Интернет или ЛВС, как если бы они были подключены локально, используя последовательный через LAN.

Виртуальные последовательные порты идеально имитируют все функции аппаратного последовательного порта, включая скорость передачи, биты данных, биты четности, стоповые биты и т. д. Кроме того, они позволяют управлять потоком данных, эмулировать все сигнальные линии (DTR, DSR, CTS, RTS, DCD и RI) и настраивать распиновку.

На ПК можно создать большое количество виртуальных последовательных портов. Единственное ограничение - это ресурсы, такие как оперативная память и время процессора. Эмуляторы последовательного порта доступны для многих операционных систем, включая MacOS, Linux, NetBSD и другие Unix-подобные операционные системы, а также различные мобильные и настольные версии Microsoft Windows.

Bluetooth

Bluetooth реализует виртуальные последовательные порты через Профиль последовательного порта. Это стандартный способ получения данных, например, от модулей GPS с Bluetooth.

Софтмодемы

Драйверы для программно реализованный модем создать виртуальный последовательный порт для связи с операционной системой хоста, поскольку модем полностью реализован в драйвере устройства, и поэтому нет точки, где последовательные данные будут отправлены на физическую карту.

Смотрите также

• COM (аппаратный интерфейс)
• Телетайп

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Последовательный порт завершен: COM-порты, виртуальные COM-порты USB и порты для встроенных систем; 2-е издание; Ян Аксельсон; Lakeview Research; 380 страниц; 2007; ISBN  978-1-931-44806-2.

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с Серийный порт в Wikimedia Commons
• Список выводов RS-232 и других последовательных портов
• Задняя часть старого настольного компьютера, показывающая 25-контактный мужской последовательный порт.