Введение

Стандарт последовательной связи RS 232, стандарт.

В телекоммуникациях RS 232, или Рекомендуемый стандарт 232.

Ограничения стандарта

Поскольку RS 232 используется не только для первоначального соединения терминала с модемом, для устранения его ограничений были разработаны более современные стандарты. Проблемы стандарта RS 232 включают:
Большие размахи напряжения и необходимость в положительном и отрицательном питании увеличивают энергопотребление интерфейса и усложняют разработку блока питания. Требование к размаху напряжения также ограничивает максимальную скорость совместимого интерфейса. Однополярная сигнализация, использующая общую землю, ограничивает помехоустойчивость и дальность передачи. Подключение нескольких устройств (более двух) не определено стандартом. Хотя существуют различные способы реализации многоточечного соединения, они имеют ограничения по скорости и совместимости. Стандарт не рассматривает возможность прямого подключения DTE к DTE или DCE к DCE. Для этого можно использовать "нулевые модемные" кабели, но они не стандартизованы, и разные кабели могут использовать разные распиновки. Определения двух концов канала связи асимметричны. Это затрудняет определение роли нового устройства; разработчику необходимо выбрать, будет ли интерфейс похож на DTE или DCE, и какие контакты разъема использовать. Линии аппаратного управления и обмена данными предназначены для установления и разрыва соединения при коммутируемом наборе номера; в частности, использование линий управления потоком данных не всегда надежно реализовано в устройствах. Стандарт не предусматривает способ подачи питания на устройство. Хотя небольшой ток можно получить с линий DTR и RTS, этого достаточно только для маломощных устройств, таких как мыши. Рекомендуемый стандартом 25-контактный D-sub разъем является большим по сравнению с современными решениями.

Роль в современных персональных компьютерах

В книге PC 97 Hardware Design Guide компания Microsoft прекратила поддержку RS 232-совместимого последовательного порта оригинальной конструкции IBM PC. Сегодня RS 232 в основном заменен в персональных компьютерах USB для локальных коммуникаций. Преимущества USB по сравнению с RS 232 заключаются в более высокой скорости, использовании более низкого напряжения и разъемах, которые проще подключать и использовать. Недостатки USB по сравнению с RS 232 заключаются в гораздо меньшей устойчивости к электромагнитным помехам (EMI) и значительно меньшей максимальной длине кабеля, определенной стандартами (15 метров для RS 232 против 3–5 метров для USB, в зависимости от версии USB и использования активных кабелей). При использовании соответствующих линейных драйверов возможно достижение длины кабеля RS 232 до 2000 метров. В таких областях, как лабораторная автоматизация или геодезия, устройства RS 232 по-прежнему используются. Некоторые типы программируемых логических контроллеров, частотно-регулируемых приводов, сервоприводов и оборудования с числовым программным управлением программируются через RS 232. Производители компьютеров отреагировали на этот спрос, повторно внедрив разъем DE 9M в свои компьютеры или предлагая адаптеры. Порты RS 232 также часто используются для связи с безмониторными системами, такими как серверы, где не установлены монитор или клавиатура, во время загрузки, когда операционная система еще не запущена и, следовательно, невозможно сетевое подключение. Компьютер с последовательным портом RS 232 может взаимодействовать с последовательным портом встроенной системы (например, маршрутизатора) в качестве альтернативы мониторингу через Ethernet.

Физический интерфейс

В RS 232 пользовательские данные передаются в виде последовательности битов во времени. Стандарт поддерживает как синхронную, так и асинхронную передачу. Помимо каналов передачи данных, стандарт определяет ряд управляющих каналов, используемых для управления соединением между DTE и DCE. Каждый канал передачи данных или управления работает только в одном направлении, то есть передает сигналы от DTE к подключенному DCE или в обратном направлении. Поскольку каналы передачи и приема данных разделены, интерфейс может работать в полнодуплексном режиме, обеспечивая одновременный поток данных в обоих направлениях. Стандарт не определяет форматирование символов в потоке данных или кодировку символов.

Коннекторы

Устройства RS 232 могут быть классифицированы как оборудование передачи данных (DTE) или оборудование завершения цепи передачи данных (DCE); это определяет, какие провода будут передавать и принимать каждый сигнал на каждом устройстве. Согласно стандарту, разъемы типа "папа" имеют функции выводов DTE, а разъемы типа "мама" – функции выводов DCE. Другие устройства могут иметь любую комбинацию пола разъема и назначения выводов. Многие терминалы выпускались с разъемами типа "мама", но продавались с кабелем с разъемами типа "папа" на обоих концах; такой терминал с кабелем соответствовал рекомендациям стандарта. Стандарт рекомендует D-образный субминиатюрный 26-контактный разъем до версии C и делает его обязательным, начиная с версии D. Большинство устройств реализуют лишь несколько из двадцати сигналов, определенных в стандарте, поэтому разъемы и кабели с меньшим количеством контактов достаточны для большинства соединений, более компактны и экономичны. Производители персональных компьютеров заменили разъем DB 25M на меньший разъем DE 9M. Этот разъем, с другой распиновкой (см. распиновку последовательных портов), широко распространен в персональных компьютерах и связанных с ними устройствах. Наличие 25-контактного D-образного разъема не обязательно указывает на соответствие интерфейса стандарту RS 232 C. Например, в оригинальном IBM PC разъем типа "папа" D был портом RS 232 C DTE (с нестандартным интерфейсом токового контура на зарезервированных контактах), а разъем типа "мама" D на той же модели ПК использовался для параллельного порта принтера "Centronics". Некоторые персональные компьютеры подают нестандартные напряжения или сигналы на отдельные выводы своих последовательных портов.

Кабели

Стандарт не определяет максимальную длину кабеля, а определяет максимальную емкость, которую должна выдерживать соответствующая схема управления. Распространенное эмпирическое правило указывает на то, что кабели длиной более чем будут иметь избыточную емкость, если не используются специальные кабели. Использование кабелей с низкой емкостью позволяет поддерживать связь на больших расстояниях, до примерно. Для больших расстояний другие стандарты передачи сигналов, такие как RS 422, лучше подходят для более высоких скоростей. Поскольку определения стандарта не всегда применяются корректно, часто необходимо обращаться к документации, тестировать соединения с помощью разветвительной коробки или использовать метод проб и ошибок для поиска кабеля, обеспечивающего работу при подключении двух устройств. Подключение полностью соответствующих стандарту устройств DCE и DTE осуществляется с помощью кабеля, соединяющего одинаковые номера контактов в каждом разъеме (так называемый "прямой кабель"). Для устранения несоответствия полов между кабелями и разъемами доступны "сменники полов". Для подключения устройств с различными типами разъемов требуется кабель, соединяющий соответствующие контакты в соответствии с таблицей ниже. Распространены кабели с 9 контактами на одном конце и 25 на другом. Производители оборудования с разъемами 8P8C обычно поставляют кабель с разъемом DB 25 или DE 9 (или иногда со сменными разъемами для работы с несколькими устройствами). Кабели низкого качества могут вызывать ложные сигналы из-за перекрестных помех между линиями данных и управления (например, индикатором вызова). Если определенный кабель не обеспечивает соединение данных, особенно при использовании сменника полов, может потребоваться кабель null-модема. Сменники полов и кабели null-модема не упоминаются в стандарте, поэтому для них не существует официально утвержденной конструкции.

Сигналы данных и управления

В следующей таблице перечислены часто используемые сигналы RS 232 (в спецификациях называемые "цепями") и их назначение выводов на рекомендуемых разъемах DB 25 (см. распиновку последовательных портов для других часто используемых разъемов, не определенных стандартом). Цепь Направление DB 25 вывод DE 9 вывод (TIA 574) Название Типичное назначение Сокращение DTE DCE Data Terminal Ready DTE готов к приему, инициированию или продолжению вызова. DTR Выход Вход 204 Data Carrier Detect DCE принимает несущую от удаленного DCE. DCD Вход Выход 81 Data Set Ready DCE готов к приему и передаче данных. DSR Вход Выход 66 Ring Indicator DCE обнаружил входящий сигнал вызова на телефонной линии. RI Вход Выход 229 Request To Send DTE запрашивает у DCE подготовку к передаче данных. RTS Выход Вход 47 Ready To Receive DTE готов принять данные от DCE. Если используется, RTS предполагается постоянно активным. RTR Выход Вход 47 Clear To Send DCE готов принять данные от DTE. CTS Вход Выход 58 Передаваемые данные Передает данные от DTE к DCE. TxD Выход Вход 23 Принимаемые данные Передает данные от DCE к DTE. RxD Вход Выход 32 Общая земля Нулевой вольтаж для всех вышеперечисленных. GND Общий 75 Защитное заземление Соединено с заземлением шасси. PG Общий 1

Сигналы названы с точки зрения DTE. Заземляющий вывод является общим возвратом для других соединений и устанавливает "нулевое" напряжение, к которому привязаны напряжения на других выводах. Разъем DB 25 включает второй "защитный заземляющий вывод" на первом выводе; он внутренне соединен с заземлением корпуса оборудования и не должен быть подключен в кабеле или разъеме к сигнальной земле.

Кольцевой индикатор

Кольцевой индикатор (RI) – это сигнал, передаваемый от DCE к устройству DTE. Он сообщает оконечному устройству о том, что телефонная линия звонит. Во многих компьютерных последовательных портах генерируется аппаратное прерывание при изменении состояния сигнала RI. Поддержка этого аппаратного прерывания позволяет программе или операционной системе получать уведомление об изменении состояния пина RI, без необходимости постоянного программного "опроса" состояния пина. Сигнал RI не имеет аналога, передающего схожую информацию в обратном направлении. На внешнем модеме состояние пина кольцевого индикатора часто связано с индикатором "AA" (автоответ), который мигает при обнаружении сигнала RI звонка. Активированный сигнал RI точно соответствует паттерну звонка, что позволяет программному обеспечению распознавать различные сигналы вызова. Сигнал кольцевого индикатора используется некоторыми старыми источниками бесперебойного питания (UPS) для передачи сигнала о пропадании электропитания на компьютер. Некоторые персональные компьютеры можно настроить на пробуждение по звонку, позволяя компьютеру, находящемуся в режиме ожидания, отвечать на телефонный звонок.

RTS, CTS и RTR

Сигналы Request to Send (RTS) и Clear to Send (CTS) первоначально были определены для использования с полудуплексными (однонаправленными) модемами, такими как Bell 202. Эти модемы отключают свои передатчики, когда они не требуются, и должны передавать преамбулу синхронизации приемнику при повторном включении. DTE активирует RTS, чтобы указать на желание передать данные DCE, и в ответ DCE активирует CTS, чтобы предоставить разрешение после установления синхронизации с DCE на удалённом конце. Такие модемы больше не получили широкого распространения. Нет соответствующего сигнала, который DTE мог бы использовать для временной остановки входящих данных от DCE. Таким образом, использование сигналов RTS и CTS в RS 232, согласно более ранним версиям стандарта, является асимметричным. Эта схема также применяется в современных преобразователях RS 232 – RS 485. RS 485 – это шина с множественным доступом, на которой одновременно может передавать только одно устройство, что не предусмотрено в RS 232. Устройство RS 232 активирует RTS, чтобы сообщить преобразователю о необходимости взять под контроль шину RS 485, чтобы преобразователь, а следовательно, и устройство RS 232, могли отправлять данные в шину. Современные коммуникационные среды используют полнодуплексные (одновременно в обоих направлениях) модемы. В такой среде у DTE нет оснований деактивировать RTS. Однако, из-за возможности изменения качества линии, задержек в обработке данных и т.п., возникает потребность в симметричном двунаправленном управлении потоком данных. В конце 1980-х годов различные производители оборудования разработали и представили на рынок симметричную альтернативу, обеспечивающую управление потоком данных в обоих направлениях. Она переопределила сигнал RTS, означающий, что DTE готов принимать данные от DCE. В конечном итоге эта схема была кодифицирована в версии RS 232 E (фактически TIA 232 E к тому времени) путем определения нового сигнала "RTR (Ready to Receive)", который соответствует схеме CCITT V.24 133. TIA 232 E и соответствующие международные стандарты были обновлены, чтобы указать, что схема 133, при её реализации, использует тот же вывод, что и RTS (Request to Send), и что при использовании схемы 133 DCE предполагает, что RTS активирован постоянно. В этой схеме, обычно называемой "управлением потоком RTS/CTS" или "обменом сигналами RTS/CTS" (хотя технически правильным названием было бы "RTR/CTS"), DTE активирует RTS всякий раз, когда он готов принимать данные от DCE, а DCE активирует CTS всякий раз, когда он готов принимать данные от DTE. В отличие от первоначального использования RTS и CTS с полудуплексными модемами, эти два сигнала работают независимо друг от друга. Это пример аппаратного управления потоком данных. Однако, "аппаратное управление потоком данных" в описании доступных опций на устройстве, оснащённом RS 232, не всегда означает обмен сигналами RTS/CTS. Оборудование, использующее этот протокол, должно быть готово к буферизации некоторого дополнительного объема данных, поскольку удалённая система могла начать передачу непосредственно перед тем, как локальная система деактивирует RTR.

3-проводная и 5-проводная RS-232

Минимальное RS 232 соединение с "тремя проводами", состоящее только из линии передачи данных, линии приема данных и заземления, часто используется, когда не требуется полный набор функций RS 232. Даже двухпроводное соединение (данные и земля) может быть использовано, если передача данных осуществляется в одном направлении (например, цифровые почтовые весы, периодически отправляющие показания веса, или GPS-приемник, периодически передающий данные о местоположении, если не требуется конфигурация через RS 232). Если помимо двусторонней передачи данных необходимо только аппаратное управление потоком данных, в 5-проводную версию добавляются линии RTS и CTS.

Редко используемые функции

Стандарт EIA 232 определяет соединения для ряда функций, которые не используются в большинстве реализаций. Для их использования необходимы 25-контактные разъемы и кабели.

Выбор частоты сигнала

DTE или DCE могут указать использование "высокой" или "низкой" скорости передачи сигналов. Скорости, а также устройство, которое будет выбирать скорость, должны быть сконфигурированы как в DTE, так и в DCE. Предварительно настроенное устройство выбирает высокую скорость, устанавливая сигнал на выводе 23 в активное состояние.

Испытание с помощью обратной петли

Многие устройства DCE имеют функцию петлевого режима, используемую для тестирования. При включении сигналы возвращаются отправителю эхом, а не передаются получателю. Если поддерживается, DTE может подать сигнал локальному DCE (к которому он подключен) о переходе в петлевой режим, установив 18-й вывод в состояние ON, или удаленному DCE (к которому подключен локальный DCE) о переходе в петлевой режим, установив 21-й вывод в состояние ON. Последнее тестирует канал связи, а также оба DCE. Когда DCE находится в тестовом режиме, он сигнализирует DTE, устанавливая 25-й вывод в состояние ON. Распространенный вариант петлевого тестирования не требует каких-либо специальных возможностей ни на одном из концов. Аппаратный петлевой режим – это просто провод, соединяющий комплементарные выводы вместе в одном и том же разъеме (см. петлевой режим). Петлевое тестирование часто выполняется с помощью специализированного DTE, называемого измерителем битовой ошибки (или BERT).

Сигналы времени

Некоторые синхронные устройства обеспечивают тактовый сигнал для синхронизации передачи данных, особенно при более высоких скоростях передачи. DCE предоставляет два сигнала синхронизации на выводах 15 и 17. Вывод 15 – это тактовый сигнал передатчика, или время отправки (ST); DTE выводит следующий бит на линию данных (вывод 2) при переходе этого тактового сигнала из низкого уровня в высокий (и он стабилен во время перехода из высокого уровня в низкий, когда DCE регистрирует бит). Вывод 17 – это тактовый сигнал приемника, или время приема (RT); DTE считывает следующий бит с линии данных (вывод 3) при переходе этого тактового сигнала из высокого уровня в низкий. В качестве альтернативы, DTE может предоставлять тактовый сигнал, называемый временем передатчика (TT), на вывод 24 для передаваемых данных. Данные изменяются при переходе тактового сигнала из низкого уровня в высокий, а считываются во время перехода из высокого уровня в низкий. TT можно использовать для решения проблемы, когда ST должен пройти по кабелю неизвестной длины и с неизвестной задержкой, вывести бит из DTE после еще одной неизвестной задержки и вернуться в DCE по той же неизвестной задержке кабеля. Поскольку соотношение между передаваемым битом и TT может быть фиксировано в конструкции DTE, и поскольку оба сигнала проходят по одному и тому же кабелю, использование TT устраняет эту проблему. TT может быть сгенерирован путем обратной связи ST с соответствующим сдвигом фазы для синхронизации его с передаваемыми данными. Обратная связь ST к TT позволяет DTE использовать DCE в качестве источника опорной частоты и корректировать синхронизацию тактового сигнала и данных. Синхронная тактовая синхронизация необходима для таких протоколов, как SDLC, HDLC и X.25.

Инструменты развития

При разработке или отладке систем, использующих RS 232, детальное изучение аппаратных сигналов может быть важным для выявления проблем. Это можно сделать с помощью простых устройств со светодиодами, показывающими логические уровни сигналов данных и управления. "Y"-образные кабели могут использоваться для мониторинга всего трафика в одном направлении с помощью другого последовательного порта. Анализатор последовательной линии – это устройство, подобное логическому анализатору, но специализированное для уровней напряжения, разъемов и, при наличии, тактовых сигналов RS 232; он собирает, сохраняет и отображает данные и сигналы управления, позволяя разработчикам детально их просматривать. Некоторые устройства просто отображают сигналы в виде волновых форм, а более сложные версии способны декодировать символы в ASCII или другие распространенные кодировки и интерпретировать распространенные протоколы, используемые через RS 232, такие как SDLC, HDLC, DDCMP и X.25. Анализаторы последовательной линии доступны в виде автономных устройств, в виде программного обеспечения и интерфейсных кабелей для логических анализаторов и осциллографов общего назначения, а также в виде программ, работающих на обычных персональных компьютерах и устройствах.