Tutorial sobre Comunicações Seriais e UART

A transmissão serial síncrona requer que o emissor e o receptor compartilhem um clock entre si, ou que o remetente forneça um sinal estroboscópico ou outro sinal de tempo para que o receptor saiba quando deve “ler” o próximo bit dos dados. Na maioria das formas de comunicação serial síncrona, se não houver dados disponíveis em um dado instante para transmitir, um caractere de preenchimento deve ser enviado para que os dados sejam sempre transmitidos. A comunicação síncrona é geralmente mais eficiente, pois somente os bits de dados são transmitidos entre o emissor e o receptor, e a comunicação síncrona pode ser mais cara se fios e circuitos extras forem necessários para compartilhar um sinal de relógio entre o emissor e o receptor.

Uma forma de transmissão síncrona é usada com impressoras e dispositivos de disco fixo em que os dados são enviados em um conjunto de fios enquanto um clock ou strobe é enviado em um fio diferente. Impressoras e dispositivos de disco fixo normalmente não são dispositivos seriais porque a maioria dos padrões de interface de disco fixo envia uma palavra inteira de dados para cada sinal de clock ou de strobe usando um fio separado para cada bit da palavra. Na indústria de PCs, esses são conhecidos como dispositivos paralelos.

O hardware de comunicação serial padrão no PC não suporta operações síncronas. Este modo é descrito aqui apenas para fins de comparação.

A transmissão assíncrona permite que os dados sejam transmitidos sem que o emissor tenha que enviar um sinal de relógio ao receptor. Em vez disso, o remetente e o receptor devem concordar com os parâmetros de tempo de antecedência e bits especiais são adicionados a cada palavra, os quais são usados para sincronizar as unidades de envio e recebimento.

Quando uma palavra é dada ao UART para uma transmissão assíncrona, um bit chamado "Start Bit" é adicionado ao início de cada palavra que deve ser transmitida. O Start Bit é usado para alertar o receptor de que uma palavra de dados está prestes a ser enviada e para forçar o clock do receptor a sincronizar-se com o clock do transmissor. Estes dois clocks devem ser precisos o suficiente para não ter um desvio de frequência em mais de 10% durante a transmissão dos bits restantes na palavra. (Esse requisito foi definido nos dias das teleimpressoras mecânicas e é facilmente atendido pelos equipamentos eletrônicos modernos.)

Após o Start Bit, os bits individuais da palavra de dados são enviados, com o Bit Menos Significativo (LSB) sendo enviado primeiro. Cada bit na transmissão é transmitido exatamente pelo mesmo período de tempo que todos os outros bits, e o receptor “olha” para o fio aproximadamente na metade do período atribuído a cada bit para determinar se o bit é um 1 ou um 0. Por exemplo, se forem necessários dois segundos para enviar cada bit, o receptor examinará o sinal para determinar se é um 1 ou um 0 após ter passado um segundo, ele esperará dois segundos e examinará o valor do próximo bit, e assim por diante.

O remetente não sabe quando o receptor “olhou” para o valor do bit. O remetente só sabe quando o clock diz para começar a transmitir o próximo bit da palavra.

Quando toda a palavra de dados foi enviada, o transmissor pode adicionar um Bit de Paridade que o transmissor gera. O Bit de Paridade pode ser usado pelo receptor para executar uma verificação de erros simples. Então pelo menos um Stop Bit é enviado pelo transmissor.

Quando o receptor recebeu todos os bits na palavra de dados, ele pode verificar os bits de paridade (tanto o remetente quanto o receptor devem concordar se um bit de paridade deve ser usado), e então o receptor procura um Stop Bit. Se o Stop Bit não aparecer quando é suposto aparecer, o UART considera a palavra inteira como ilegível e irá relatar um Framing Error para o processador do host quando a palavra de dados é lida. A causa comum de um Framing Error é que os clocks do emissor e do receptor não estavam sendo executados na mesma velocidade ou que o sinal foi interrompido.

Independentemente de os dados terem sido recebidos corretamente ou não, o UART descarta automaticamente os Bits de Start, Paridade e Stop. Se o emissor e o receptor forem configurados de forma idêntica, esses bits não serão passados ​​para o host.

Se outra palavra estiver pronta para transmissão, o Start Bit da nova palavra pode ser enviado assim que o Stop Bit da palavra anterior for enviado.

Como os dados assíncronos são “auto-sincronizados”, se não houver dados para transmitir, a linha de transmissão pode ficar inativa.

Além do trabalho básico de conversão de dados de paralelo para serial para transmissão e de serial para paralelo na recepção, um UART normalmente fornecerá circuitos adicionais para sinais que podem ser usados ​​para indicar o estado da mídia de transmissão, e para regular o fluxo de dados no caso de o dispositivo remoto não estar preparado para aceitar mais dados. Por exemplo, quando o dispositivo conectado à UART é um modem, o modem pode informar a presença de uma operadora na linha telefônica enquanto o computador pode instruir o modem a reinicializar a si mesmo ou a não atender chamadas, aumentando ou diminuindo mais um desses sinais extras. A função de cada um desses sinais adicionais é definida no padrão EIA RS232-C.

Na maioria dos sistemas de computador, o UART é conectado a um circuito que gera sinais que atendem à especificação EIA RS232-C. Há também um padrão CCITT chamado V.24 que reflete as especificações incluídas no RS232-C.

Baud é uma medida de velocidade de transmissão em comunicação assíncrona. Devido aos avanços na tecnologia de comunicação por modem, esse termo é frequentemente mal utilizado na descrição das taxas de dados em dispositivos mais recentes.

Tradicionalmente, uma taxa de transmissão representa o número de bits que estão realmente sendo enviados pela mídia, não a quantidade de dados que é realmente movida de um dispositivo DTE para outro. A contagem de Baud inclui os bits de Start, Stop e Paridade que são gerados pelo UART de envio e removidos pelo UART de recebimento. Isso significa que palavras de dados de sete bits na verdade levam 10 bits para serem completamente transmitidas. Portanto, um modem capaz de mover 300 bits por segundo de um lugar para outro normalmente só pode mover 30 palavras de 7 bits se a Paridade for usada e um bit de Start e Stop estiver presente.

Se palavras de dados de 8 bits são usadas e bits de paridade também são usados, a taxa de dados cai para 27,27 palavras por segundo, porque agora leva 11 bits para enviar as palavras de oito bits, e o modem ainda envia apenas 300 bits por segundo.

A fórmula para converter bytes por segundo em uma taxa de transmissão e vice-versa era simples até que os modems de correção de erros apareceram. Esses modems recebem o fluxo serial de bits da UART no computador host (mesmo quando os modems internos são usados, os dados ainda são frequentemente serializados) e convertem os bits de volta em bytes. Esses bytes são então combinados em pacotes e enviados pela linha telefônica usando um método de transmissão síncrona. Isso significa que os bits de Stop, Start e Paridade adicionados pelo UART no DTE (o computador) foram removidos pelo modem antes da transmissão pelo modem de envio. Quando esses bytes são recebidos pelo modem remoto, o modem remoto adiciona bits de Start, Stop e paridade às palavras, converte-os em um formato serial e envia-os para o UART receptor no computador remoto, que retira o Start, Stop e bits de paridade.

A razão pela qual todas essas conversões extras são feitas é para que os dois modems possam executar a correção de erros, o que significa que o modem receptor pode solicitar ao modem de envio para reenviar um bloco de dados que não foi recebido com a soma de verificação correta. Essa verificação é feita pelos modems, e os dispositivos DTE geralmente não sabem que o processo está ocorrendo.

Ao separar os bits de Start, Stop e Paridade, os bits adicionais de dados que os dois modems devem compartilhar entre si para executar a correção de erros são praticamente ocultados da taxa de transmissão efetiva vista pelo equipamento DTE de envio e recebimento. Por exemplo, se um modem enviar dez palavras de 7 bits para outro modem sem incluir os bits Start, Stop e Paridade, o modem de envio poderá adicionar 30 bits de suas próprias informações que o modem receptor pode usar para corrigir erros. sem afetar a velocidade de transmissão dos dados reais.

O uso do termo Baud é ainda mais confuso pelos modems que executam compressão. Uma única palavra de 8 bits transmitida pela linha telefônica pode representar uma dúzia de palavras que foram transmitidas para o modem de envio. O modem de recebimento irá expandir os dados de volta ao seu conteúdo original e passar esses dados para o DTE de recebimento.

Os modems modernos também incluem buffers que permitem que a taxa na qual os bits se movem pela linha telefônica (do DCE para o DCE) seja uma velocidade diferente da velocidade que os bits se movem entre o DTE e o DCE em ambas as extremidades da conversação. Normalmente, a velocidade entre o DTE e o DCE é maior que a velocidade do DCE para o DCE devido ao uso de compactação pelos modems.

Como o número de bits necessários para descrever um byte variou durante a viagem entre as duas máquinas, mais as diferentes velocidades de bits por segundo usadas nos links DTE-DCE e DCE-DCE, o uso do termo Baud para descrever a velocidade geral de comunicação causa problemas e pode deturpar a velocidade real de transmissão. Então Bits Por Segundo (bps) é o termo correto a ser usado para descrever a taxa de transmissão na interface DCE para DCE e Baud ou Bits Por Segundo são termos aceitáveis ​​para uso quando uma conexão é feita entre dois sistemas com uma conexão com fio ou se estiver em uso um modem que não esteja executando correção de erros ou compactação.

Os modernos modems de alta velocidade (2400, 9600, 14.400 e 19.200bps) na realidade ainda operam a 2400 ou abaixo de 2400 baud, ou mais precisamente, 2400 símbolos por segundo. O modem de alta velocidade é capaz de codificar mais bits de dados em cada Symbol usando uma técnica chamada Constellation Stuffing, é por isso que a taxa efetiva de bits por segundo do modem é maior, mas o modem continua a operar dentro da largura de banda limitada de áudio que o sistema telefônico fornece. Modems operando a 28.800 e velocidades mais altas têm taxas variáveis ​​de Symbol, mas a técnica é a mesma.

Começando com o IBM Personal Computer original, a IBM selecionou o National Semiconductor INS8250 UART para uso no adaptador IBM PC Paralelo/Serial. Gerações subsequentes de computadores compatíveis da IBM e de outros fornecedores continuaram a usar o INS8250 ou versões aprimoradas da família UART da National Semiconductor.

INS8250  -> INS8250B
  \
   \
    \-> INS8250A -> INS82C50A
             \
              \
               \-> NS16450 -> NS16C450
                        \
                         \
                          \-> NS16550 -> NS16550A -> PC16550D

Ao longo dos anos, o 8250, o 8250A, o 16450 e o 16550 foram licenciados ou copiados por outros fornecedores de chips. No caso do 8250, 8250A e 16450, o circuito exato (o “megacell”) foi licenciado para muitos fornecedores, incluindo a Western Digital e a Intel. Outros fornecedores realizaram engenharia reversa da peça ou produziram emulações que tiveram comportamento semelhante.

Nos modems internos, o projetista de modem freqüentemente emula o 8250A/16450 com o microprocessador de modem, e o UART emulado frequentemente terá um buffer oculto que consiste em várias centenas de bytes. Por causa do tamanho do buffer, essas emulações podem ser tão confiáveis ​​quanto uma 16550A em sua capacidade de lidar com dados de alta velocidade. No entanto, a maioria dos sistemas operacionais ainda relatará que o UART é apenas um 8250A ou 16450, e pode não fazer uso efetivo do buffer extra presente no UART emulado, a menos que drivers especiais sejam usados.

Alguns fabricantes de modem são motivados pelas forças do mercado a abandonar um design que possui centenas de bytes de buffer e, em vez disso, usam uma UART 16550A para que o produto compare favoravelmente nas comparações de mercado, embora o desempenho efetivo possa ser reduzido por essa ação.

Um equívoco comum é que todas as partes com “16550A” escritas nelas são idênticas no desempenho. Existem diferenças e, em alguns casos, falhas definitivas na maioria desses clones 16550A.

Quando o NS16550 foi desenvolvido, a National Semiconductor obteve várias patentes sobre o projeto e também limitou o licenciamento, tornando mais difícil para outros fornecedores fornecer um chip com características semelhantes. Por causa das patentes, projetos de engenharia reversa e emulações tiveram que evitar infringir as reivindicações cobertas pelas patentes. Posteriormente, essas cópias quase nunca funcionam exatamente da mesma forma que a NS16550A ou a PC16550D, que são as peças que a maioria dos fabricantes de computadores e modems deseja comprar, mas às vezes não estão dispostas a pagar o preço necessário para obter a peça genuína.

Algumas das diferenças nas peças do clone 16550A não são importantes, enquanto outras podem impedir que o dispositivo seja usado com um determinado sistema operacional ou driver. Essas diferenças podem aparecer ao usar outros drivers ou quando ocorrem determinadas combinações de eventos que não foram bem testadas ou consideradas no driver Windows®. Isso ocorre porque a maioria dos fornecedores de modem e de fabricantes de clones do 16550 usam os drivers da Microsoft do Windows® para Workgroups 3.11 e Microsoft® MS-DOS® como o principal teste de compatibilidade com o NS16550A. Esse critério excessivamente simplista e significa que se um sistema operacional diferente for usado, poderão surgir problemas devido a diferenças sutis entre os clones e os componentes genuínos.

A National Semiconductor disponibilizou um programa chamado COMTEST que realiza testes de compatibilidade independentemente de qualquer driver do sistema operacional. Deve ser lembrado que o propósito deste tipo de programa é demonstrar as falhas nos produtos dos concorrentes, de modo que o programa reportará diferenças importantes e extremamente sutis no comportamento da peça que está sendo testada.

Em uma série de testes realizados pelo autor deste documento em 1994, componentes fabricados pela National Semiconductor, TI, StarTech e CMD, bem como megacells e emulações incorporadas em modems internos foram testados com o COMTEST. Uma contagem de diferença para alguns desses componentes está listada abaixo. Como esses testes foram realizados em 1994, eles podem não refletir o desempenho atual do produto de um determinado fornecedor.

Deve-se notar que o COMTEST normalmente aborta quando um número excessivo ou certos tipos de problemas são detectados. Como parte desse teste, o COMTEST foi modificado para não abortar, independentemente de quantas diferenças fossem encontradas.

É importante entender que uma simples contagem de diferenças do COMTEST não revela muito sobre quais diferenças são importantes e quais não são. Por exemplo, cerca de metade das diferenças relatadas nos dois modems listados acima que têm UARTs internas foram causadas pelos clones UARTs que não suportam modos de caractere de cinco e seis bits. Todos os UARTs 16550, 16450 e 8250 reais suportam esses modos e o COMTEST verifica a funcionalidade desses modos, de modo que mais de cinquenta diferenças são relatadas. No entanto, quase nenhum modem moderno suporta caracteres de cinco ou seis bits, particularmente aqueles com recursos de correção de erros e compressão. Isso significa que as diferenças relacionadas aos modos de caractere de cinco e seis bits podem ser desconsideradas.

Muitas das diferenças que o COMTEST reporta têm a ver com o tempo. Em muitos projetos de clones, quando o host lê de uma porta, os bits de status em alguma outra porta podem não ser atualizados na mesma quantidade de tempo (alguns mais rápidos, alguns mais lentos) que um NS16550AFN real e o COMTEST procura por essas diferenças. Isso significa que o número de diferenças pode ser enganoso, pois um dispositivo pode ter apenas uma ou duas diferenças, mas elas serem extremamente sérias, e algum outro dispositivo que atualiza o status de registro mais rápido ou mais devagar que a peça de referência (que provavelmente nunca afetaria o operação de um driver devidamente escrito) poderia ter dezenas de diferenças relatadas.

O COMTEST pode ser usado como uma ferramenta de triagem para alertar o administrador sobre a presença de componentes potencialmente incompatíveis que podem causar problemas ou que precisam ser tratados como um caso especial.

Se você executar o COMTEST em um 16550 que esteja em um modem ou se um modem estiver conectado à porta serial, será necessário primeiro emitir um comando ATE0&W para o modem para que o modem não faça eco de nenhum dos caracteres de teste. Se você esquecer de fazer isso, o COMTEST informará pelo menos essa diferença:

Error (6)...Timeout interrupt failed: IIR = c1  LSR = 61

O UART 8250/16450/16550 ocupa oito endereços contíguos de porta de I/O. No IBM PC, há dois locais definidos para essas oito portas e eles são conhecidos coletivamente como COM1 e COM2. Os fabricantes de PC-clones e placas adicionais criaram duas áreas adicionais conhecidas como COM3 e COM4, mas essas portas COM extras entram em conflito com outro hardware em alguns sistemas. O conflito mais comum é com adaptadores de vídeo que fornecem emulação IBM 8514.

A COM1 está localizada de 0x3f8 a 0x3ff e normalmente usa o IRQ 4. A COM2 está localizada de 0x2f8 a 0x2ff e normalmente usa IRQ 3. A COM3 está localizada de 0x3e8 a 0x3ef e não tem IRQ padronizado. A COM4 está localizada de 0x2e8 a 0x2ef e não tem IRQ padronizado.

Uma descrição das portas I/O da UART 8250/16450/16550 é fornecida abaixo.

Embora a National Semiconductor não tenha oferecido nenhum componente compatível com o 16550 que forneça recursos adicionais, vários outros fornecedores oferecem. Alguns desses componentes são descritos abaixo. Deve ser entendido que para utilizar efetivamente essas melhorias, os drivers podem ter que ser fornecidos pelo fornecedor do chip, já que a maioria dos sistemas operacionais populares não suportam recursos além daqueles fornecidos pelo 16550.

Além desses UARTs “dumb”, muitos fornecedores produzem placas de comunicação serial inteligentes. Esse tipo de design geralmente fornece um microprocessador que faz interface com vários UARTs, processa e armazena os dados em buffer e, em seguida, alerta o processador principal do PC quando necessário. Como os UARTs não são acessados ​​diretamente pelo processador do PC nesse tipo de sistema de comunicação, não é necessário que o fornecedor use UARTs compatíveis com o UART 8250, 16450 ou 16550. Isso deixa o designer livre para usar componentes que tenham melhores características de desempenho.