Когда расстояние между компьютером и периферийным устройством достигает определенного предела (3 метра), передача данных в виде параллельных слов становится нерациональной. Альтернативный способ передачи данных заключается в разбиении параллельных слов на отдельные разряды и передаче их по одному в последовательном потоке разрядов по одному проводнику.
Таким образом, количество проводников, соединяющих компьютер и периферийное устройство, уменьшается с восьми или более линий данных и любого количества управляющих линий до одной (или двух) линий связи, линии корпуса и, возможно, нескольких управляющих линий. Следовательно, когда периферийное устройство должно размещаться на некотором расстоянии от компьютера, стоимость соединяющего их оборудования уменьшается за счет использования технологий последовательной передачи данных.
Режимы последовательной передачи
Наибольшая проблема, встречающаяся при последовательной передаче данных — сохранение синхронизации временной привязки разрядов данных в обоих устройствах. Для обеспечения нужной временной привязки при последовательной передаче используются два метода: разряды данных могут посылаться синхронно (вместе с синхронизирующим тактовым импульсом), либо асинхронно (без сопровождающего тактового импульса).
Когда данные передаются синхронно, разряды слова (символ) синхронизируются общим тактовым сигналом, который подается и на передающий, и на принимающий регистры. Оба регистра инициализируются перед началом передачи, когда передающая схема посылает определенную последовательность разрядов, которую приемник распознает в качестве команды инициализации. После этого приемная схема обрабатывает поступающий поток разрядов, подсчитывая тактовые импульсы и разделяя поток разрядов на слова определенной длины. Если по любой причине приемник пропускает какой-либо разряд, все последующие слова обрабатываются неверно.
Когда данные передаются асинхронно, приемная система не синхронизируется с передающей системой. При асинхронной передаче данных передача зависит от способности двух отдельных тактовых генераторов, работающих с одинаковой частотой, оставаться синхронизированными в течении короткого периода времени. Передаваемая информация посылается символ за символом (обычно в формате ASCII), причем начало и конец каждого символа ограничивается стартовым и стоповым разрядами. Между этими метками разряды символов передаются с постоянной частотой, но временной интервал между символами может быть различным.
Синхронная передача данных осуществляется значительно быстрее асинхронной. Это связано с дополнительным количеством разрядов, которые необходимо передавать при асинхронной передаче каждого символа. В последовательных портах РС-совместимых компьютеров и аналоговых модемах используются методы асинхронной передачи данных. В цифровых модемах и адаптерах локальных сетей используются синхронные методы. Хотя в области РС-компьютеров методы асинхронной передачи были стандартом для последовательных портов, а синхронные порты применялись в специализированных приложениях, в большинстве современных портов и шин высокоскоростной синхронный режим используется в качестве стандартного.
Микросхемы последовательного интерфейса
Как и в случае с однокристальными параллельными портами, компании-изготовители микросхем разработали ряд однокристальных устройств, выполняющих все функции, необходимые для реализации последовательной передачи данных. Эти микросхемы последовательных портов называют универсальными асинхронными приемниками/передатчиками (universal asynchronous receiver/transmitters, UART). Синхронные устройства обычно называют USART (universal synchronous/asynchronous receiver/transmitters — синхронно/асинхронные приемники/передатчики).
Эти устройства не только обеспечивают преобразования параллельных данных в последовательные и последовательных в параллельные, которые необходимы для последовательной передачи данных, но и выполняют функции параллельного интерфейса, необходимого для сопряжения с шиной компьютера, а также все связанные с передачей данных функции управления.
Интегральные схемы UART
В адаптерах последовательных портов первых PC-компьютеров применялись микросхемы UART 8250, обеспечивающие программируемые скорости передачи данных от 50 до 9600 бод, которые имели полностью программируемую систему прерываний и были способны работать с символами переменной длины (5-, 6-, 7- или 8-разрядными). Впоследствии в адаптеры были добавлены функции обработки стартового и стопового разрядов, разрядов четности и выявления ложного стартового разряда, выявления и генерирования символа разрыва строки. Кроме того, в них были встроены диагностические функции. С увеличением быстродействия модемов в них включались модернизированные микросхемы UART, обеспечивающие более совершенных характеристик.
Внимания заслуживают такие усовершенствованные микросхемы UART, как 16450 и 16550. Микросхема 16450 — усовершенствованная 16-разрядная версия ИС 8250. ИС 16550 — высокопроизводительная ИС UART с встроенным 16-байтовым буфером. Буфер позволяет ИС UART хранить или передавать строку данных, не прерывая работу микропроцессора системы для их обработки. Это делает микросхему значительно более быстродействующей по сравнению с другими UART. Упомянутые ИС UART позволяют последовательным портам обеспечивать скорости передачи данных до 115 Кбит/с. Хотя эти ИС UART отличаются некоторыми характеристиками и иногда встраиваются непосредственно в интегральные схемы ввода/вывода, все же для сохранения PC-совместимости их структура должна соответствовать базовой структуре ИС 8250.
