การ Interface กับ Serial Port (Part VII)

วันที่โพสต์: Oct 03, 2010 3:28:13 PM

การ Interface กับ Serial Port (Part VII)

Interrupt Vectors

ก่อนที่จะใช้งาน Interrupt ก็ต้องรู้ว่า communication card ที่ใช้มี address และ IRQ อย่างไร ย้อนกลับไปดู Table 3. ที่แสดงข้อมูลของ base address และ IRQ ที่ใช้กันอยู่ โดย IRQ 3 และ 4 ใช้กันเป็นประจำ ส่วน IRQ 5 และ 7 มีใช้ในบางโอกาส

เมื่อรู้ IRQ แล้วต่อไปก็หา interrupt vector หรือ software interrupt ของมัน ปรกติ processor ในอนุกรมของ 8086 จะมี 256 interrupt vector โดยนับจาก 0 ถึง 255 แต่ละ vector มีขนาด 4 bytes เก็บ address ของ Interrupt Service Routine (ISR) ไว้ แต่เนื่องจากภาษา C สามารถจัดการกับ address เหล่านี้โดยเพียงแต่รู้ค่า vector ของมันเท่านั้นดังนั้นจึงใช้เฉพาะ interrupt vector ในการเขียน program ภาษา C

Table 14. แสดง Interrupt Vector ของ Hardware

Table 14. Interrupt Vectors. (Hardware only)

สมมุติว่าเราใช้ COM 3 ซึ่งมี IRQ อยู่ที่ 0C (Hex) เราก็สามารถ set ค่า interrupt vector โดยใช้คำสั่งภาษา C ว่า setvec (Ox0C, PORT1INT); โดย PORT1INT คือ ISR หรือ interrupt handler ที่รองรับ IRQ นี้ แต่ก่อนที่จะทำเช่นนั้นควรเก็บค่าvector เดิมไว้เพื่อ restore กลับหลังจากที่จบการทำงานของ ISR แล้ว ซึ่งจะใช้คำสั่ง oldport1isr = getvect (INTVECT); โดย oldport1isr ถูกกำหนดโดยคำสั่ง void interrupt (*oldport1isr)(); นอกจากนั้นยังต้องมีการเก็บค่า status เดิมของ UART และส่งคืนทุกครั้งที่สิ้นสุด ISR เพื่อให้ program อื่นสามารถใช้ UART ได้

Interrupt Service Routine

PORT1INT ที่ชี้ไปยัง ISR ซึ่งจะทำงานตามที่ได้ออกแบบไว้ ตัวอย่างเช่น

void interrupt PORT1INT() { int c; do { c = inportb(PORT1 + 5); if (c & 1) { buffer[bufferin] = inportb(PORT1); bufferin++; if (bufferin == 1024) bufferin = 0; } } while (c & 1); outportb(0x20,0x20); }

ซึ่งจะตรวจว่ามีการรับ character เข้ามาใน UART หรือไม่ ถ้ามีก็จะอ่านไปเก็บไว้ที่ buffer ใน memory ซึ่งจะตรวจต่อเนื่องในกรณีที่ enable ตัว FIFO เพื่อเก็บข้อมูลทั้งหมดเมื่อมี interrupt เกิดขึ้น

บรรทัดสุดท้าย outportb(0x20,0x20); จะบอกตัว Programmable Interrupt Controller (PIC) ว่าสิ้นสุดการ interrupt แล้ว routine ข้างบนจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อ setup ตัว register ต่าง ๆ ของ UART และตัว PIC ถูกต้องแล้วเท่านั้น ปรกติ PC จะใช้ PIC 2 ตัวเป็น PIC1 และ PIC2 และมี control word ตามที่แสดงใน Table 15. และ 16. สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับการใช้ Interrupt และตัว PIC ขอให้ดูจากบทความเรื่อง “การใช้ Interrupt”

Table 15. PIC1 Operation Control Word 1 (Address Ox21)

Table 16. PIC2 Operation Control Word 1 (Address OxA1)

UART Configuration

การ config. ตัว UART มีขั้นตอนหลัก ๆ ดังนี้

• 1. Disable การ interrupt ของตัว UART เป็นอันดับแรก เพื่อไม่ให้มี interrupt จาก UART มารบกวนขณะทำการ config. อยู่

  2. ทำการ setup ค่า interrupt vector ต่าง ๆ

  3. กำหนด speed และค่าต่าง ๆ ในการสื่อสารที่ต้องการ โดย set bit 7 ของ LCR ก่อนแล้วค่อยกำหนดค่าอื่น ๆ

  4. หลังจากกำหนด speed แล้ว ก็ต้อง reset bit 7 ของ LCR เพื่อจะได้ควบคุม interrupt enable register และ Tx/Rx buffer ได้และกำหนดค่าต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับ FCR และ MCR

Main Routine (Loop)

ตัวอย่างของ main routine มีดังนี้

do { if (bufferin != bufferout){ ch = buffer[bufferout]; bufferout++; if (bufferout == 1024) bufferout = 0; printf("%c",ch); } if (kbhit()){ c = getch(); outportb(PORT1, c); } } while (c !=27);

ซึ่งจะ loop จนกว่าค่า c = 27 (คือการกดปุ่ม ESC key) สำหรับ routine นี้ตั้งอยู่บนสมมุติฐานว่า UART ทำงานเร็วกว่าการพิมพ์ข้อมูลเข้าไป แต่ถ้าใช้ในลักษณะอื่นที่ UART อาจจะทำงานไม่ทัน ก็ต้องเพิ่มขั้นตอนให้มีการตรวจสอบ bit 5 ของ Line Status Register (LSR) ว่ามีค่าเป็น “1” ก่อนที่จะส่งข้อมูลใหม่เข้าไปยัง Tx register

Determining the type of UART via Software

การตรวจสอบชนิดของ UART โดยใช้ software มีขั้นตอนดังนี้

Set ให้ bit 0 ของ FCR มีค่าเป็น “1” แล้วอ่านค่าของ bit 6 และ 7 ของ interrupt identification register (IIR) ถ้า bit ทั้ง 2 มีค่าเป็น “1” แสดงว่า FIFO buffer ถูก enable หมายความว่า UART เป็นเบอร์ 16550A ถ้า FIFO ถูก enable แต่ใช้ไม่ได้แสดงว่า UART เป็นเบอร์ 16550 และถ้า FIFO ไม่ได้ถูก enable แสดงว่า UART เป็นเบอร์ 16450 หรือ 8250, 8250A หรือ 8250B ในเครื่อง PC รุ่นเก่า (ส่วนเครื่อง PC/AT จะมี bus speed ที่สูงขึ้น ซึ่ง UART อนุกรม 8250 ไม่สามารถตอบสนองได้) จากนั้นก็ลองเขียนข้อมูลเข้า scratch register แล้วอ่านกลับออกมาเทียบกับที่เขียนเข้าไปดูว่าถ้าตรงกันแสดงว่ามี scratch register อยู่แสดงว่า UART เป็นเบอร์ 16450 หรือ 8250A แต่ถ้าไม่มี scratch register แสดงว่า UART เป็นเบอร์ 8250 หรือ 8250B สำหรับ UART เบอร์ 16750 จะมี buffer 64 byte ซึ่งทดสอบโดยการ enable ผ่าน FCR แล้วอ่านค่า status จาก IIR ก็จะรู้ได้

External Hardware – Interfacing Methods

RS-232 Waveforms

การสื่อสารโดย RS-232 เป็นการสื่อสารแบบ asynchronous หมายความว่าสัญญาณ clock ที่ใช้ควบคุมจังหวะไม่ได้ส่งไปพร้อมกับ Data แต่จะใช้ start bit เป็นตัว sync.ในแต่ละ word ของการสื่อสารและใช้สัญญาณ clock ภายในของแต่ละด้านเป็นตัวให้จังหวะเอง

Figure 4. TTL/CMOS Serial Logic Waveform.

Figure 4. แสดงลักษณะของสัญญาณจาก UART เมื่อใช้ format แบบ 8N1 คือ 8 data bits ไม่มี parity bit และมี 1 stop bit ขณะที่ idle จะอยู่ในสถานะ “Mark” หรือ logic “1” การส่งจะเริ่มจากการส่ง start bit คือ logic “0” และตามด้วย LSB bit จนหมด data bits และถ้ามี parity bit ก็จะส่งที่จุดนี้แล้วลงท้ายด้วย stop bit ซึ่งมีค่าเป็น logic “1” ในรูปได้แสดง bit ที่ต่อถัดจาก stop bit ซึงมีค่าเป็น logic “0” หมายความว่าเป็น start bit ของ การส่ง word ถัดไป แต่ถ้ายังไม่มีการส่ง word ถัดไป ก็ต้องอยู่ในสถานะของ logic “1” ซึ่งเป็นสถานะของ idle และถ้าสายอยู่ในสถานะของ logic “0” นานกว่าเวลาของการส่ง 1 full word ระบบจะถือว่าเป็นสัญญาณ “Break” เพื่อหยุดการสื่อสาร ดังนั้นต้องไม่ลืมที่จะสั่งในสายกลับสู่สถานะ idle เมื่อสิ้นสุดการส่ง

การรับ-ส่งข้อมูลในลักษณะนี้เรียกว่าแบบ frame คือมีกรอบปิดล้อมข้อมูลไว้ด้วย start bit และ stop bit

RS-232 Level Converters

สัญญาณ RS-232 มีค่าแรงไฟต่างจากที่ใช้ใน UART ดังแสดงใน Figure 5. ดังนั้นจึงต้องมี converter เพื่อแปลงระดับสัญญาณให้เหมาะสมก่อนที่จะเชื่อมต่อกับ serial port หรือ RS-232 port ของ computer

Figure 5. RS-232 Logic Waveform.

สำหรับสัญญาณ RS-232 นั้น logic “0” จะมีค่า +3 V ถึง +25 V และ logic “1” จะมีค่า –3 V ถึง –25 V ส่วนค่าระหว่าง –3 V ถึง +3 V เป็นค่า undefined ระดับสัญญาณนี้ใช้กับทุกสัญญาณไม่ใช่เฉพาะสัญญาณรับ-ส่งข้อมูลเท่านั้นแต่ยังรวมถึงสัญญาณควบคุมต่าง ๆ เช่น DTR, RTS, CTS, DCD, DSR เป็นต้น

IC ที่ใช้มักจะเป็นเบอร์ 1488 (RS-232 Driver) และ 1489 (RS-232 Receiver) โดยภายในแต่ละตัวจะประกอบด้วย inverter 4 ตัวและต้องการไฟเลี้ยง 2 ชุดคือ +7.5 V ถึง +15 V และ –7.5 V ถึง –15 V ซึ่งอาจจะมีปัญหาในเครื่องที่มีไฟเลี้ยง +5 V เพียงชุดเดียว แต่ก็ยังมี IC อีกตัวหนึ่งคือเบอร์ MAX-232 ซึ่งมีวงจร charge pump สามารถสร้างไฟ +10 V และ –10 V จากไฟ +5 V ได้ พร้อมทั้งมี 2 Tx และ 2 Rx อยู่ใน package เดียวกัน และรองรับ baud rate ได้ถึง 120 Kbps จึงสะดวกมากเพราะใช้ IC เพียงตัวเดียว รูปข้างล่างคือ MAX-232

ส่วนการที่เราจะนำข้อมูลมาใช้งานก็ต้องแปลงเป็น parallel ก่อนซึ่งเป็นหน้าที่ของ UART ซึ่งปัจจุบัน microprocessor และ microcontroller มักจะมี serial communication interface (SCI) อยู่ในตัว แต่อาจจะมีงานบางอย่างที่ไม่ได้ใช้ microcontroller และต้องการ process ข้อมูลกับ serial comm. เช่น ต่อ ADC เข้ากับ UART หรือต่อ LCD display เข้ากับ Serial comm. ก็ต้องใช้ UART ช่วย เช่นเบอร์ 8250 หรือ 16550A หรือเบอร์อื่น ๆ ที่ได้กล่าวมาแล้ว แต่มี UART อีกพวกหนึ่งที่แยก Tx bus กับ Rx bus ออกจากกัน ทำให้มีความคล่องตัวมากขึ้น ซึ่งจะกล่าวในหัวข้อต่อไป

CDP6402, AY-5-1015 / D36402R-9 etc UARTS

Table 17. แสดงรายละเอียดหน้าที่ของขาต่าง ๆ ของ UART ในกลุ่ม CDP6402, AY-5-1015 / D36402R-9 ซึ่งเป็น CMOS สามารถรองรับ baud rate สูงถึง 200 Kbps ที่ 5 V แต่เนื่องจาก UART เหล่านี้ไม่มี programmable baud rate generator อยู่ใน chip ด้วย จึงต้องใช้วงจรภายนอก โดยมากจะใช้ IC เบอร์ 74HC4046 ซึ่งเป็น 14 bit binary counter/divider แต่จะมีขา output เพียงบางส่วนคือ Q4 ถึง Q14 จึงต้องการ clock ที่มีความถี่สูงกว่า max. baud rate 16 เท่า Table 18. แสดง baud rate ที่เป็นไปได้เมื่อใช้ Crystal ควบคุมความถี่ต่างกัน

การสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ตั้งแต่ 2 อุปกรณ์ขึ้นไปจะประกอบด้วยตัว Driver หรือตัวส่ง Receiver หรือตัวรับ และสื่อกลาง หรือ Transmission line (ในกรณีที่เป็นการสื่อสารแบบใช้สาย) ทาง EIA จึงได้กำหนดมาตรฐานต่าง ๆ ขึ้น ซึ่งมีคุณสมบัติสรุปตามที่แสดงใน Table ข้างบน โดย RS-232 และ RS-423 เป็นแบบ single-ended ส่วน RS-422 และ RS-485 เป็นแบบ differential ซึ่งลดปัญหาที่แบบ single-ended ต้องประสบเช่นเรื่อง ground shift, ground noise เรื่อง induced noise ใน common mode เป็นต้น

วงจรสัญญาณของ RS-232

ระดับสัญญาณของ RS-232

สัญญาณระบบ Balanced Differential Data Transmission

RS-232 มี speed สูงสุดได้ไม่เกิน 20Kbps และไปได้ไกลสุดไม่เกิน 50 ฟุตที่ speed สูงสุด แต่ถ้าใช้สายพิเศษที่เป็นชนิด low capacitance ก็สามารถไปได้ไกลขึ้น สื่อสารแบบ full-duplex ได้ สัญญาณ idle เป็น “mark” มีค่าแรงไฟเป็นลบ และสัญญาณ active เป็น “space” มีค่าแรงไฟเป็นบวก ใช้สัญญาณ handshaking หลายสัญญาณ เหมาะที่จะเชื่อมต่อกับ modem ดังนั้นถ้าใช้งานด้านอื่นจึงมักประสบปัญหาในการจัดการกับสัญญาณ handshaking ซึ่งโดยมากมักจะใช้วิธีแก้ที่ software protocol หรือไม่ก็ loopback หรือ pull-up ด้วย Hardware ส่วน RS-423 เป็นมาตรฐานที่ปรับปรุงให้การทำงานแบบ single-ended ดีกว่า RS-232 แต่ก็ไม่ค่อยได้รับความนิยมนัก

เปรียบเทียบวงจรระหว่าง RS-422 กับ RS-485

การต่อ Grounding ของ RS-485

RS-422 เป็นแบบ differential สามารถใช้ speed ได้สูงกว่าและไปได้ไกลกว่า RS-232 มาก ดังนั้นถ้าใช้ converter 1 คู่ต่อหัว-ท้าย เพื่อแปลงสัญญาณ RS-232 และ RS-422 จะทำให้สามารถสื่อสารได้ด้วย speed สูงสุดถึง 100Kbps และไปได้ไกลถึง 4,000 ฟุต และยังสามารถทำงานแบบ multi-drop (party-line) คือ 1 driver ต่อกับ 10 receivers ในสาย bus เดียวกัน แต่ RS-422 ไม่สามารถทำงานแบบ multi-point network อย่างเต็มรูปแบบได้ ซึ่งประกอบด้วยหลาย driver และหลาย receiver ที่ต่ออยู่บน bus เดียวกัน แต่ก็ได้มีการแก้ไขให้สามารถสื่อสารแบบ quasi multi-drop โดยใช้สาย 4 wires เพื่อสื่อสารแบบ half-duplex เพื่อหลีกเลี่ยงการชนกันของข้อมูล (data collision)

RS-485 เป็นการทำงานแบบ multi-point แบบเต็มรูปแบบ โดยใช้สาย 2 wires สามารถต่อกับ driver และ receiver ได้ถึง 32 ชุดบน bus เดียวกัน และถ้าผนวกกับการใช้ automatic repeater และ high impedance driver/receiver แล้วจะทำให้สามารถต่อใช้งานได้อีกเป็น 100 เป็น 1,000 nodes บน network เดียวกันได้ และเพิ่มขึดความสามารถในการทนต่อปัญหา common mode ด้วย tri-state และ power off อีกทั้งทนต่อปัญหาของ data collision และ bus fault การแก้ปัญหาเรื่อง collision จะใช้การสื่อสารแบบ half-duplex และทางภาคส่งจะเปลี่ยนเป็นภาครับทันทีหลังจากส่งแล้ว ทำให้สามารถทำงานด้วยความเร็วสูงได้