Le linee seriali. Nomenclatura. Linee Seriali. M. Parvis 1

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1 Le linee seriali Marco Parvis Politecnico di Torino Dipartimento di Elettronica Corso Duca degli Abruzzi, Torino Tel Fax marco.parvis@polito.it 1 Nomenclatura Interfaccia seriale: usa un solo segnale (filo) per trasmettere dati, quindi trasmette un bit alla volta. La velocità si misura in bit al secondo detti baud da cui baud rate I bit vengono raggruppati in entità più grosse Carattere: entità di 5-8 bit Pacchetto o frame: insieme di caratteri raggruppati secondo uno schema accettato da entrambi i dispositivi 2 1

2 Nomenclatura Si possono concepire tre modalità di trasmissione Simplex: unidirezionale Half duplex (HD): bidirezionale, ma senza possibilità di trasmissione contemporanea, cioè impiegando un canale solo per trasmettere e ricevere Full duplex (FD): bidirezionale, senza limitazioni, cioè impiegando due canali separati per trasmettere e ricevere 3 Nomenclatura In una trasmissione in un certo istante si identificano Un MASTER (Talker, parlatore,.) che invia i dati Uno (o più) SLAVE (Listener ascoltatore, ) che riceve (ricevono) i dati Se esistono più dispositivi uno solo può fare da master in un dato istante Per avere trasmissione bidirezionale è necessario che il master segnali di aver finito di parlare e ceda il ruolo ad un altro dispositivo che diventa master 4 2

3 Nomenclatura La trasmissione può essere: Libera, ovvero alla velocità e nella quantità stabilite dal master Vincolata, ovvero a velocità e/o quantità limitata dallo slave. In questo caso si distinguono ancora:» Vincoli di tipo Hardware, legati a particolari segnali (fili) comandati dall elemento slave» Vincoli legati ad un preciso protocollo cui master a slave aderiscono 5 Nomenclatura La trasmissione può essere: Sincrona, cioè legata ad un orologio comune a tutti gli attori. Sono necessari uno o più fili per distribuire il clock, ma può essere più veloce. Asincrona, cioè costruita in modo che chi riceve sappia agganciarsi automaticamente alla velocità di chi trasmette. Richiede che di tanto in tanto venga trasmesso un marcatore per risincronizzarsi. Il marcatore occupa tempo e riduce la velocità 6 3

4 Motivazione dell RS232 Serviva un modo semplice per trasmettere dati in modo bidirezionale su linea telefonica Si doveva pensare ad un sistema in grado di iniziare la connessione (telefonare ) e trasmettere i dati su un doppino telefonico in modo bidirezionale La velocità di trasmissione era bassa, limitata dalle linee telefoniche con banda passante 2-3 khz 7 RS232 Pensata negli anni 60 dalla Electronic Industry Association (EIA) e chiamata EIA232, poi diventata RS232 (RS: Recommended Standard) RS232 è simile alla norma V24 emanata dal CCITT Queste norme definiscono: Caratteristiche elettriche e meccaniche Un certo numero di circuiti ed i nomi da usare per indicarli Un modo di usare questi circuiti al fine di ottenere un determinato funzionamento 8 4

5 RS232 RS232 è pensata per connettere un DTE (data terminal equipment computer) ad un DCE (data communication equipment modem) 9 Piedinatura Connettore a 25 pin (DB25) maschio per DTE e femmina per DCE Connettore a 9 pin (DB9) maschio per DTE e femmina per DCE. La riduzione di fili è ottenuta rinunciando ad alcune funzionalità e mantenendo i segnali fondamentali per il MODEM Connettori tipo telefonico RJ45 ad 8 piedini in cui un singolo piedino assolve a due funzioni 10 5

6 Livelli elettrici RS232 definisce due livelli digitali (o stati) MARK (OFF,1) tensione tra 25V e 3V SPACE (ON,0) tensione tra +3V e +25V La zona 3V 3V è considerata di transizione L impedenza di sorgente deve essere minore di 50 W (teoricamente Icc=0.5A), quella di ricezione superiore a 3kW 11 Livelli elettrici Con le seguenti regole A riposo (IDLE) la linea è in condizione MARK Una volta entrato nella zona di transizione il segnale DEVE uscire dalla parte opposta Nella zona di transizione il segnale deve muoversi monotonamente I segnali di controllo devono attraversare la zona di transizione in meno di 1ms I segnali di dato devono attraversare la zona di transizione in meno del 4% del periodo ed in meno di 1ms I fronti non devono superare 30V/ms 12 6

7 Formato carattere Un carattere è formato da: 1 bit di START 7-8 bit di dato 0-1 bit di parità 1,1.5,2 bit di STOP In certi apparecchi il carattere ha durata fissa, esempio: 1 bit START + 7 bit dato + bit parità +1 bit STOP = 10 bit oppure 1 bit START + 8 bit dato + 1 bit STOP =10 bit 13 Parità e velocità La parità è un codice di ridondanza che è in grado di riconoscere (ma non correggere!) UN errore Si ha parità: 0 fisso (SPACE) falsa parità 1 fisso (MARK) falsa parità EVEN: valore 1 se la somma dei bit di dato è dispari ODD: calore 1 se la somma dei bit di dato è pari I baud rate sono normalizzati da 150 bps a raddoppiare (300,600,1200,2400,4800,9600,19200, ). Il ricevitore deve essere impostato sulla giusta velocità 14 7

8 Errori di comunicazione Si definiscono tre tipi di errore di comunicazione Parità: si è rilevata mancata corrispondenza tra bit di parità ricevuto e calcolato Framing: il ricevitore non è riuscito a decodificare il carattere (cioè non ha identificato i bit di start e stop). Indica in genere una errata impostazione della velocità attesa Overrun: un nuovo carattere è arrivato sulla linea, ma il precedente carattere non era stato ancora prelevato dall interfaccia. Indica un problema di protocollo (esempio in comunicazione libera) 15 Scenari di uso di RS232 Ci sono tre possibilità: Collegamento tramite MODEM e linea commutata (normale linea per cui si compone un numero telefonico) Collegamento tramite MODEM e linea dedicata (collegamento esclusivo punto-punto) Collegamento diretto senza MODEM I protocolli di comunicazione dell RS232 sono stati definiti solo per una comunicazione DTE-DCE, ma oggi spesso l interfaccia si usa senza l interposizione di un modem E necessario definire come usare i segnali previsti per i modem in modo da regolare il flusso di dati. Dato che ci sono molti segnali (richiesti dal modem), la cosa non è univoca 16 8

9 Principali segnali RS232 PG SG TD RD RTS CTS DSR DCD RI DTR Protective ground: connessione equipotenziale Signal ground: potenziale di riferiemento per dati e controlli Transmit data Receive data Request To Send: DTE vuole trasmettere dati Clear To Send: DCE indica che la trasmissione è possibile Data-Set Ready: DTE operativo Data Carrier Detect: presente portante sulla linea telefonica Ring Indicator: segnale di chiamata al telefono Data Terminal Ready:il DTE è pronto a trasmettere 17 Collegamento e scambio dati Una sessione di collegamento tra due dispositivi si compone sempre di due passi: Stabilirsi della connessione: i due dispositivi prendono coscienza dell esistenza l uno dell altro Scambio dati: i due dispositivi si scambiano dati accordandosi su quantità e velocità. Lo svolgimento di questa fase dipende dalla disponibilità o meno di una connessione full-duplex 18 9

10 Collegamento con MODEM e linea comm. 1. Il primo DTE viene acceso e DTR indica al MODEM la cosa 2. Il DTE compone il numero dell interlocutore, il MODEM esegue provocando 3. L attivazione di RI all altro capo 4. Se il DTE remoto è acceso (cioè ha DTR attivo) il MODEM remoto risponde, diversamente il processo termina per mancanza di risposta 5. I due MODEM negoziano la connessione e si accordano su una velocità. Ad accordo avvenuto entrambi attivano DSR segnalando l avvenuta connessione L indicatore di connessione è DSR, se la linea cade, i MODEM tolgono DSR Per cessare la comunicazione un DTE toglie DTR 19 Scambio dati in HD 1. Il DTE A che vuole trasmettere attiva RTS 2. Il MODEM A verifica che la linea sia libera controllando DCD, se DCD è attivo si torna al punto 1 altrimenti 3. MODEM A attiva la portante e segnala al DTE A che può trasmettere con il segnale CTS 4. Il DTE A inizia a trasmettere ed il MODEM A modula la portante, il MODEM B demodula i dati e li invia al DTE B 5. Al termine della trasmissione, DTE A toglie RTS, MODEM A stacca la portante e toglie CTS, il MODEM B sente DCD libero 6. La linea è libera e ogni DTE può iniziare una nuova trasmissione Durante una trasmissione chi riceve NON ha modo di fermare la trasmissione 20 10

11 Scambio dati in HD canali secondari RS232 prevede un canale secondario con fili dedicati (SRD, SRD, SRTS, SRTS, SDCD) che usa un altra portante a bassa frequenza e bassa velocità. Il canale secondario (che in una trasmissione A -> B non è usato da A ) può essere usato da B per inviare dati (di controllo) verso A, ad esempio per interrompere la trasmissione Sovente si usa solo la portante come segnalazione (cioè i segnali SRTS e SDSC) Il procedimento prende il nome di Hardware XON-XOFF 21 Full Duplex e linee dedicate In Full Duplex il canale è sempre disponibile quindi RTS e CTS sono sempre attivi. I canali secondari non servono In caso di linea dedicata la connessione è sempre attiva, RI non serve e all attivazione di entrambi i DTR segue immediatamente l attivazione del DSR 22 11

12 Connessioni senza MODEM RS232 viene anche usata in connessioni dirette tra due DTE senza interposizione dei DCE La situazione non è stata normata in modo univoco Esistono fili di controllo ridondanti e quindi si deve decidere come impiegarli Tipi di cavi: Estensione/Conversione: per connettere DTE-DCE DB9- DB25 Loopback: per test dell RS232 su una sola macchina Null modem: per connettere due DTE direttamente (f-f)» Senza handshake (senza controllo di flusso)» Con handshake (con controllo di flusso) usando DSR o CTS 23 Handshake software Se non si usa un cavo che consenta l handshake hardware si deve impiegare un handshake software. E richiesta una connessione full-duplex Il ricevitore quando desidera interrompere la ricezione invia un carattere denominato XOFF (DC2 CTRL-Q) che il trasmettitore interpreta come STOP La trasmissione riprende quando il ricevitore invia il carattere XON (DC3 CTRL-S) Per evitare che la trasmissione non riparta se XON viene perso, a volte il ricevitore invia periodicamente XON (robust XON) 24 12

13 Limitazioni RS232 ed evoluzioni Massima distanza senza amplificatori 15m Connessione tra due soli oggetti Massima velocità 20kbit/s (nella versione originaria) Evoluzioni delle interfacce seriali RS232 bidirezionale segnali sbilanciati RS449 bidirezionale segnali bilanciati RS423 unidirezionale uno a molti RS422 unidirezionale uno a molti segnali bilanciati RS485 bidirezionale con driver three-state fino a 32 dispositivi 25 RS449 Rumore e capacità verso terra limitano la velocità. Per incrementare distanza e velocità si può ricorrere a segnali trasmessi in modo bilanciato 26 13

14 RS449 Velocità fino a 2Mbyte/s (su piccole distanze fino a 60m) Distanza fino a 1.2km (a velocità ridotta) Si usano circuiti bilanciati per le linee importanti (TX,RX,RST,CTS,DTR,DSR) e circuiti sbilanciati per le altre E necessario un connettore a 37 pin (più un connettore a 9 pin per i canali secondari) I cavi di ogni coppia sono intrecciati (twisted-pair) Dispositivi RS232 possono essere convertiti in RS449 con adattatore: la velocità rimane quella dell RS232, ma la distanza diventa quella dell RS RS423-RS422 Rimane il problema della connessione di due soli oggetti RS423 e RS422 consentono la connessione UNIDIREZIONALE di un MASTER con fino a 10 SLAVE RS423 usa circuiti non differenziali Tensione ridotta MARK tra 6V e 3.6V; SPACE tra +3.6V e +6V Velocità massima fino a 100kbit/s fino a 15m Lunghezza fino a 1200m con velocità 1 kbit/s Due fili (A e B) per ogni segnale; filo B connesso a massa 28 14

15 RS422 Versione differenziale di RS423 consente la connessione: UNIDIREZIONALE di un MASTER con fino a 10 SLAVE BIDIREZIONALE tra due oggetti (con 4 fili) RS422 usa circuiti differenziali Tensione ridotta MARK 5V ; SPACE 0V Velocità massima fino a 10Mbit/s fino a 15m Lunghezza fino a 1200m con velocità 1 kbit/s Due fili (A e B) per ogni segnale entrambi pilotati 29 RS422 Dispositivi RS232 possono essere convertiti in RS422 con adattatore: la velocità rimane quella dell RS232, ma la distanza diventa quella dell RS

16 RS485 RS485 è una interfaccia seriale Con trasmissione differenziale In grado di connettere fino a 32 dispositivi in modalità half-duplex con trasmissione uno-a-molti In grado di operare fino a 1200m RS485 realizza una trasmissione bidirezionale e usa driver three-state Esistono due versioni di connessione a 2 e a 4 fili di dato RS485 è la base di bus di campo come profibus 31 RS485 Versione 2 fili Nella versione a due fili si realizza una connessione bidirezionale in cui tutti i dispositivi possono parlare a tutti 32 16

17 RS485 Versione 4 fili Nella versione a quattro fili un solo master può parlare a tutti i dispositivi e ricevere dati dai dispositivi slave, che non possono parlare tra di loro 33 RS485 - Polarizzazione Dato che tutti i parlatori possono essere disabilitati, è necessario un sistema di polarizzazione per evitare segnali spuri. Si tende ad avere tra A-B una tensione di oltre 200mV Considerando 32 ricevitori con impedenza 12kW, e due terminatori da 120W, l impedenza equivalente è circa 50W. Per avere una tensione di polarizzazione di 200mV i resistori di bias devono essere circa 560Ω Alcuni ricevitori hanno già resistenze integrate da 10-20kΩ in modo da essere polarizzati anche se sconnessi 34 17

18 RS485 - Terminazione RS485 combina elevata velocità, elevata lunghezza e molti dispositivi cosicché le impedenze non sono adattate e si possono avere riflessioni Le riflessioni si evitano terminando la linea con la propria impedenza caratteristica (un centinaio di ohm), ma questo porta ad un forte incremento dei consumi I ricevitori campionano il segnale a metà periodo per cui è necessario che esso sia stabile (che le riflessioni si siano estinte) a quel punto Si può fare il calcolo con due-tre riflessioni e velocità m/s» Esempio cavo 1000m, round-trip 10ms, con tre riflessioni 30ms, se il bit dura 150ms (baud rate 7000 bps) non è necessaria la terminazione» Esempio: a 2Mbit/s durata bit 500ns, riflessione accettata 30ns, lunghezza massima 1m 35 RS232->RS485 La conversione da RS232 a RS485 richiede la variazione dei livelli e anche la gestione dell abilitazione del trasmettitore. Si può utilizzare DTR per abilitare il trasmettitore Il ricevitore in genere è lasciato sempre attivo Rimane il problema di liberare la linea a termine trasmissione nel più breve tempo possibile 36 18

19 Protocolli RS485 La presenza di più parlatori richiede tecniche per evitare (o gestire) le collisioni diverse in base alla configurazione: MASTER-SLAVE a 4 fili: la collisione può avvenire solo tra slave, ogni slave deve avere un indirizzo unico ed è responsabilità del master indirizzare correttamente gli slave MASTER-SLAVE a 2 fili: la collisione può avvenire tra slave, e con il master: il problema è sapere dopo quanto tempo il parlatore attivo disabilita i propri driver. MULTI-MASTER (a 2 fili): ogni master può iniziare la trasmissione in qualsiasi momento e le collisioni sono inevitabili:» Si devono usare tecniche di acknowledge e ritrasmissione simili a ethernet» Chi trasmette può usare il proprio ricevitore per verificare che i dati siano effettivamente presenti (non garantisce che i dati arrivino davvero se la linea è molto lunga) 37 Protezione dai transitori Problema comune a tutti i sistemi di trasmissione Problema di sicurezza Problema di immunità ai disturbi Le verifiche si fanno con segnali di disturbo normalizzati 1.2/50ms, 8/20ms e risonanze 100kHz e con tensioni 6kV 38 19

20 Protezione dai transitori Si possono usare due tipi di protezioni con limitatori Con isolatori Gli isolatori funzionano per disturbi di modo comune e non per disturbi differenziali Non richiedono un riferimento di massa Richiedono un alimentazione isolata 39 Protezione dai transitori Gli scaricatori o limitatori funzionano per disturbi di modo comune e differenziali richiedono un riferimento di massa Aggiungono capacità alle linee Possono danneggiarsi in caso di sovraccarichi prolungati 40 20

21 Piedinature RS232 Originariamente RS232 usava un connettore a 25 pin (DB25) maschio per DTE e femmina per DCE ed un cavo con 25 fili uno-a-uno. 41 Piedinature RS232 In seguito si sono sviluppati altri connettori con numero di pin inferiore ad esempio DB9. Anche in questo caso si usa connettore maschio per DTE e femmina per DCE ed un cavo con 9 fili uno-a-uno. La riduzione di fili è ottenuta rinunciando ad alcune funzionalità e mantenendo i segnali fondamentali per il MODEM 42 21

22 Piedinature RS DSR/RI DCD DTR Ring indicator Data carrier detect Data Terminal Ready 4 SG Signal Ground 5 RxD Received Data 6 TxD Transmitted Data 7 8 CTS RTS Clear to Send Request to Send Si usano anche connettori tipo telefonico RJ45 ad 8 piedini in cui un singolo piedino assolve a due funzioni 43 Piedinatura RS423 DB25 DB37 1 Shield (A) 1 2 Transmit Data (A) 4 14 Transmit Data (B) 22 3 Receive Data (A) 6 16 Receive Data (B) 24 4 Request to Send (A) 7 19 Request to Send (B) 25 5 Clear to Send (A) 9 13 Clear to Send (B) 27 6 Dataset Ready (A) Dataset Ready (B) 29 7 Signal Ground 19 8 Receive Line Signal Detect (A) Receive Line Signal Detect (B) Data Terminal Ready (A) Data Terminal Ready (B)

23 Piedinatura RS423 DB25 DB37 17 Receive Timing (A) 8 9 Receive Timing (B) External Timing (A) External Timing (B) Transmit Timing (A) 5 12 Transmit Timing (B) Local Loopback Remote Loopback Test Mode Indicator 18 DB25 Unbalanced DB37 Signal Rate Indicator 2 Incoming Call 15 Select Frequency 16 Receive Common 20 Terminal In Service 28 Select Standby 32 Signal Quality 33 New Signal 34 Standby/Indicator 36 Send Common Cavi per connessioni senza MODEM Cavo di estensione semplice PS: la lunghezza non deve superare la decina di metri 46 23

24 Cavi per connessioni senza MODEM Cavo di adattamento DB9-DB25 47 Cavi per connessioni senza MODEM Cavo di loopback con Incrocio TX-RX Incrocio DTR-DCD-DSR: quando si attiva il DTE si ottiene sempre indicazione di connessione stabilita Incrocio RTS-CTS: quando si richiede una trasmissione si ottiene sempre canale libero 48 24

25 Cavi per connessioni senza MODEM Cavo null-modem senza handshake: Incrocio TX-RX Incrocio DTR-A DCD- A DSR-A: l attivazione del DTE implica connessione attiva Incrocio RTS-A CTS- A: la richiesta di trasmissione genera il segnale trasmissione libera 49 Cavi per connessioni senza MODEM Cavo di null-modem con handshake standard : Incrocio TX-RX Incrocio RTS-A CTS-B: la richiesta di trasmissione viene interpretata all altro capo come canale libero Incrocio DTR-A DSR-B DCD-B: dtr viene usato per controllare il flusso dati su DSR 50 25

26 Cavi per connessioni senza MODEM Cavo di null-modem con handshake: Incrocio TX-RX Incrocio RTS-A DCD- A CTS-B: la richiesta di trasmissione segnala canale libero all altro capo Incrocio DTR-A DSR- B: dtr viene usato per controllare il flusso dati su DSR 51 Cavi per connessioni senza MODEM Cavo di null-modem con handshake: Incrocio TX-RX Incrocio DTR-A CTS-B DSR-B DCD-B: dtr viene usato per controllare il flusso dati su DSR e CTS 52 26

27 Cavi per connessioni senza MODEM Cavo di null-modem con handshake: Incrocio TX-RX Incrocio RTS-A CTS-A DCD-B Incrocio DTR-A DSR-B: dtr viene usato per controllare il flusso dati su DSR 53 Cavi per connessioni senza MODEM Cavo di null-modem con handshake: Incrocio TX-RX Incrocio RTS-A DCD-B Incrocio DTR-A CTS-B DSR-B: dtr viene usato per controllare il flusso dati su DSR e CTS 54 27