Последовательный порт

Сигналы последовательного порта являются однонаправленными: при соединении двух устройств выход одного должен подключаться к входу другого. Устройства делятся на: оконечное оборудование данных (DTE) и оконечное оборудование цепи передачи данных (DCE). Вывод, являющийся выходом на устройстве DTE, будет входом на DCE, и наоборот, поэтому DTE и DCE можно соединять обычным («прямым») кабелем, где номера контактов совпадают на обоих концах.

Традиционно компьютеры и терминалы считаются DTE, а периферия (например, модемы) — DCE. Для соединения двух устройств одного типа (DTE-DTE или DCE-DCE) используют кабель с перекрёстными линиями передачи/приёма — нуль-модемный, crossover или roll-over кабель.

Последовательные разъёмы обычно имеют различие по полу, то есть соединяются только «мужской» с «женским». В разъёмах D-subminiature контакты у мужского — штырьки, у женского — гнёзда^[2]. Разъёмы любого пола могут устанавливаться на панели или проводе.

Обычно на DTE устанавливают мужской разъём, на DCE — женский (кабель, соответственно, противоположного пола). Тем не менее, это не всегда так: например, большинство последовательных принтеров имеют женский разъём DB25, но всё ещё являются DTE^[3]. В таких случаях проблему решают соответствующим кабелем или сменой пола с помощью переходника.

Оригинальный стандарт RS-232 предполагал только 25-контактный разъём D-subminiature, однако со временем стали использоваться и другие типы — из соображений экономии и размера, так как многие устройства не используют все 20 сигналов стандарта. Пример — DE-9 (9-контактный D-sub), ставший стандартом для ПК с опцией Serial/Parallel Adapter для IBM PC/AT^[4]. Для RS-232 этот разъём стандартизирован в TIA-574.

В миниатюрной электронике (например, графические калькуляторы^[5] и ручные радиостанции^[6]) используют телефонные (jack) разъёмы на 2,5 или 3,5 мм и простую 3-проводную схему: передача, приём, земля.

8P8C (RJ-45) разъёмы также распространены. Стандарт EIA/TIA-561 определяет их распайку, а rollover-кабель (стандарт Yost) используется на Unix-компьютерах и сетевом оборудовании (Cisco Systems и др.)^[7].

Многие Macintosh работали со стандартом RS-422, обычно с круглыми разъёмами mini-DIN, причём были стандартные пары портов для принтера и модема, а на некоторых PowerBook — объединённый разъём^[8].

Иногда используются 10P10C (RJ-50) разъёмы^[9].

Также распространён 10-контактный pin header (штырьковый разъём) на материнских платах и платах расширения — обычно через ленточный кабель преобразуется в стандартный DE-9 и крепится на свободном слоте^[10].

Сигнальная земля — это общий провод для других цепей, может быть на двух контактах (стандарт Yost) — это один и тот же сигнал. В DB-25 второй контакт (PG) предназначен для подключения устройства к своему корпусу или земле. Объединение сигнальной и защитной земли часто встречается, но не рекомендуется.

В стандарте EIA/TIA 561 контакты DSR и RI объединены^[13],^[14] а в стандарте Yost объединены DSR и DCD.

Операционные системы обычно создают для последовательных портов символические имена: Unix-подобные операционные системы используют устройства /dev/tty* («tty» — от teletype), где * — идентификатор порта. В Linux, UART-порты называются /dev/ttyS*, USB-адаптеры как /dev/ttyUSB* и т. д.

В DOS и Microsoft Windows последовательные порты обозначаются как COM: COM1, COM2 и так далее^[15].

Данные передаются двоично, поэтому скорость передачи (бит/с) равна скорости символов (baud). Часть пропускной способности уходит на служебные биты (стоп, чётность), поэтому эффективная скорость заметно ниже максимальной. Например, для формата 8-N-1 только 80 % бит составляют полезные данные: на 8 бит данных — 2 дополнительных (старт и стоп).

Существуют стандартные скорости: 75, 110, 300, 1 200, 2 400, 4 800, 9 600, 19 200, 38 400, 57 600, 115 200 бит/с и другие^[18]. Многие значения основаны на 1,2 кбит/с и 0,9 кбит/с (19200, 38400, 57600, 115200). Для этих целей применяют кварцы, например, на 1,8432 МГц — в 16 раз быстрее максимального значения передачи.

Выбор скорости не гарантирует работоспособность соединения: поддержка зависит от аппаратного обеспечения; иногда возможна автосинхронизация (например, в MIDI).

Количество бит данных может быть 5 (код Бодо), 6 (редко), 7 (ASCII), 8 (большинство современных протоколов), 9 (редко). Современные приложения почти всегда используют 8 бит. Форматы 5 и 7 бит встречаются только со старым оборудованием (телетайпами).

Обычно данные отправляются в порядке от младшего бита к старшему (least significant bit first), но возможен и обратный (например, IBM 2741).

Чётность — способ контроля ошибок. При передаче с чётностью добавляется дополнительный бит так, чтобы общее число единиц было всегда чётным или нечётным.

• Нет (N) — бит чётности не используется.
• Odd (O) — бит устанавливается для нечётного числа единиц.
• Even (E) — бит устанавливается для чётного числа единиц.
• Mark (M) — бит всегда равен 1.
• Space (S) — бит всегда равен 0.

Mark и space используются редко; они не дают контроля ошибок. Нечётная чётность полезнее чётной, так как обеспечивает наличие перехода сигнала. Обычно по умолчанию устанавливается «нет чётности», а контроль целостности поручается протоколу более высокого уровня.

При ошибке чётности на телетайпах печатался специальный символ.

Стоп-биты завершают символ, помогая принимающей стороне определить границу и восстановить синхронизацию. Обычно используют 1 стоп-бит, а при медленных электромеханических устройствах — 1,5 или 2.

Запись в формате D/P/S определяет структуру кадра (например, 8-N-1: 8 бит данных, без бита проверки, 1 стоп-бит^[21]). Указание часто сопровождается скоростью (например, «9600-8-N-1»).

Управление потоком предотвращает потерю данных при несовпадении скорости передачи/приёма. Различают аппаратное и программное управление.

Аппаратное управление реализуется отдельными линиями (обычно RTS/CTS или DTR/DSR). RTS/CTS сигнализируют, например, почти заполненный буфер. DTR/DSR по стандарту сигнализируют только о наличии и готовности оборудования, но не всегда используются именно так (встречаются и нестандартные применения).

Программное управление реализуется управляющими символами (например, XON/XOFF). При заполнении буфера получатель посылает XOFF — отправитель делает паузу, затем принимает XON и возобновляет передачу. Такая схема относится к in-band signaling, то есть управляющие команды идут по тому же каналу, что и данные.

Достоинство аппаратного управления — высокая скорость и простота; недостаток — требует больше линий и поддержки на обоих концах.

Достоинство программного метода — работает при отсутствии или несовместимости аппаратных цепей; его недостаток — сложность с обозначением управляющих символов и предотвращением конфликтов с пользовательскими данными, что требует протоколов экранирования (например, Kermit) или их ограничения (ANSI-управление терминалом).

При отсутствии управления потоком переполненный приёмник теряет данные. Решения — снижение скорости, увеличение буферов или повторные передачи (как в TCP).