Usb и uart отличия

Обновлено: 05.07.2024

Употребляя в своих статьях названия и определения: последовательный порт, serial port, communications port, COM-порт, интерфейс стандарта RS-232 я не был до конца уверен, что употребляю их в правильном контексте. Давайте разберёмся что, зачем, как и почему.

Прежде чем перейти к последовательному порту, чуть-чуть общей теории.

Классификация протоколов

А какие протоколы бывают?

По порядку передачи данных протоколы (шины данных) делятся на:

О последовательных шинах речь пойдет ниже, но пару слов нужно сказать о параллельном соединении

Параллельный протокол передачи данных (параллельная шина данных)

Передача нескольких сигналов с данными одновременно по нескольким параллельным каналам.

В последнее время предпочтение отдается последовательному соединению вместо параллельного, так как экономически более выгодно организовать передачу данных по одному (двум) проводам чем по нескольким параллельным, это касается и электрической разводки платы и внутренней разводки чипа, и соединение периферийных устройств. Но параллельное соединение из физического мира ушло в "мир эфира" в радиосвязь, вот там очень выгодно устанавливать и осуществлять параллельную передачу данных.

Примеры чаще всего это устаревшие шины такие как: принтерный порт (IEEE 1284/Centronics), ISA, ATA (IDE), SCSI , PCI, FSB (Front Side Bus)

По времени передачи и приему информации связь делится:

Симплексная связь - только передача или прием данных.
Полудуплексная связь прием и передача разнесены во времени. Сначала прием, а затем передача или наоборот.
Дуплекс - одновременно прием и передача.

Перейдем сразу к последовательному протоколу, он делится на:

Асинхронный протокол - данные передаются без внешнего тактирующего устройства. Данные можно передавать по двум проводам прием/передача. Но нужны дополнительные усилия для синхронизации (пример UART, RS-232, 1-Wire)

Синхронный протокол - данные синхронизированы с тактирующим устройством (примеры SPI и I2C)

И у меня вопрос к читателям, а протокол USB какой синхронный или асинхронный?

UART

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART), Универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП)

В 60-70годах в нашей стране не принято пользоваться англоязычными терминами поэтому UART получает свое, русское название - УАПП (Универсальный асинхронный приёмопередатчик) как и все остальные названия, например НГМД и так далее. Хорошее время было, все кратко и понятно, например скажешь УВК-1 и сразу всем все понятно, разговор идет о устройстве ввода координатном или о мышке.

Что такое UART

UART это физическая реализация интерфейса в виде логической схемы (микросхемы) которая обеспечивает прием и передачу информация в последовательном виде, в пределах одного чипа или одного устройства, на короткие дистанции. Он непригоден для приема, передачи данных на "длинные дистанции". Причем понятие длинные и короткие взяты в кавычки и это не зря. Так как все в мире относительно и в данном случае то же, но попробуем разобраться, что за такие "длинные и короткие дистанции". Когда микроконтроллеры и другие низкоуровневые ИС взаимодействуют между собой по последовательному протоколу, они делают это на уровне TTL (транзисторно-транзисторная логика). Последовательные сигналы TTL живут между диапазоном напряжения питания микроконтроллера - обычно от 0 до 5.0 вольт (так было раньше, это уже классика) ну или до 3,3 вольт (так сейчас или еще меньше до 1,8 и 1,6 вольт КМОП) Сигнал такого диапазона да еще и не защищенный передать далеко не получится иногда проблемы возникают тут сразу же, при передачи от одной микросхемы до другой, вспомним микросхемы серии К(К155, К1533, К153) из недостатков которых: высокие требования к напряжению питания, отклонение не более 0,5 В, низкая помехоустойчивость, высокие требование в правильной разводки шины земли. Так вот передать далеко эти сигналы не получится, а что делать? Самое простое тупо усилить - поднять напряжение питания так родился интерфейс RS-232

Интерфейс RS-232

(Recommended Standard 232, рекомендованный стандарт RS-232, EIA232)

Это стандарт физического уровня, надстройка над UART для приема передачи данных другим устройствам, т. е. на "длинные дистанции

В далекие годы 60 годы прошлого века (1962 год) особо не стали заворачивается с обработками сигнала, да и мощностей подходящих не было, а потом, видимо, вспомнили телеграф.

Первый трансатлантический кабель обладал очень низкой скоростью передачи 103 слова за 16 часов, а все из за того, что на огромной дистанции (чудовищная ёмкость и сопротивление длиннющего кабеля) сигналы просто "размазывало" по длинному кабелю. Для повышения скорости увеличивали напряжение и в конце концов дошли до 2000 вольт после чего кабель благополучно сгорел.

Вот и тут просто взяли да повысили напряжение логического сигнала, но на самом деле не совсем просто, а вот так, см. инже

Электрический принцип работы RS-232

Логический нуль RS-232 лежит в пределе от +3 до +12 вольт, а единица от -3 до -12, соответственно. Между -3 и +3 вольт зона ничего, не нуля и не единицы, зона неопределённости. Т. е. разработчики стандарта инвертировали сигнал, сделали отрицательное напряжение для единицы и повысили и понизили напряжение до -12, +12вольт (на самом деле до -15, +15 вольт, а иногда и до 25 вольт) Пишут даже, что в блоке питания компьютера именно поэтому и появилась -12 вольт. Хорошо же они поработали над стандартом для которого пришлось модифицировать и блок питания, сейчас бы такая фишка не прошла, хотя.

Максимальная длинна кабеля по стандарту 20 метров, но нормально прием идет до 15 метров на скорости 19200 бод, но можно передать и на 900 метров снижая скорость (помните трансатлантический кабель) до 2400бод. А вообще максимальная скорость передачи составляет 115 200 бод

Это единица измерения скорости передачи символов (символьной скорости) или скорости модуляции в символах в секунду или импульсах в секунду.

С этими БОДами сплошная путаница, обратите внимание на определение, сколько ИЛИ, давайте разбираться.

Символьная скорость

Сначала БОД придумали для того чтобы определить сколько символов, букв можно передать за секунду по телетайпу, а кодировка тогда была 5 битная. Кодировка двоичная, импульс - единица, нет импульса - нолик. Все логично и понятно.

Импульсах в секунду

Потом по линиям связи стали общаться не только люди, но и машины и передавать не только символы - буквы, но и служебные биты например синхронизации, к чему их отнести к какой букве? А канал то они то же занимают. И вот тут и началась путаница, передавался не только символ, но и служебная информация. Как считать?

Квадратурная амплитудная модуляция (КАМд)

Но потом все еще больше запуталось, потому как в одном импульсе с помощью, например квадратурной амплитудной модуляции (КАМд), можно зашифровать не один бит, а например до 16 бит.

В общем все в конце концов вообще перепуталось!

Иногда в бодах выражают полную ёмкость канала.

Полная ёмкость канала = служебная информация в бит/c + эффективная информация в бит/c.

Преобразование UART в RS-232

Самый известный преобразователь интерфейса – это микросхема, разработанная фирмой MAXIM, которая и получила от нее часть своего названия (MAX 232). Эта микросхема из 5 вольт генерирует отрицательное напряжение, чтобы сопрягать 5-вольтовый UART с RS-232.

Как начинающий любитель электроники, я слышал эти термины, и все больше повсюду. В его корне я понимаю, что все они основаны на связи между устройствами, компьютерами, периферийными устройствами и т. Д.

У меня есть общее представление о том, как все они работают, но я запутываюсь, когда вижу их очень много, и мне трудно понять, как они связаны друг с другом. Например, является ли UART подмножеством USART? В чем разница между RS232 и Serial? Каковы основные различия между всеми этими методами коммуникации: надежность, стоимость, применение, скорость, требования к оборудованию?

Если вы можете себе представить, у меня есть все эти термины, написанные на карточках, разбросанных по кофейному столику, и мне нужен кто-то, чтобы просто помочь мне организовать мое понимание. Простите, если этот вопрос немного расплывчат, но я действительно чувствую, что природа этого вопроса все вместе.

Серийный - это общее слово для всего, что называется «мультиплексирование с временным разделением», чтобы использовать дорогой термин. Это означает, что данные отправляются с течением времени, чаще всего один бит за другим. Все протоколы, которые вы называете, являются последовательными протоколами.

Для связи на большие расстояния (это не должно быть сотни метров) 5 В UART не очень надежен, поэтому он преобразуется в более высокое напряжение, обычно +12 В для «0» и -12 В для «» 1" . Формат данных остается прежним. Тогда у вас есть RS-232 (который вы на самом деле должны называть EIA-232, но никто не делает.)

Временная зависимость является одним из больших недостатков UART, а решение - USART для универсального синхронного / асинхронного приемопередатчика. Это может сделать UART, но также синхронный протокол. В синхронном режиме передаются не только данные, но и часы. С каждым битом тактовый импульс сообщает приемнику, что он должен зафиксировать этот бит. Синхронным протоколам либо требуется более высокая пропускная способность, как в случае манчестерского кодирования, либо дополнительный провод для тактовых импульсов, такой как SPI и I2C.

SPI (Serial Peripheral Interface) - еще один очень простой последовательный протокол. Ведущий посылает тактовый сигнал, и при каждом тактовом импульсе он сдвигает один бит на подчиненный и один бит на вход от подчиненного. Поэтому имена сигналов SCK для часов, MOSI для Master Out Slave In и MISO для Master In Slave Out. Используя сигналы SS (Slave Select), ведущий может управлять более чем одним ведомым на шине. Существует два способа подключения нескольких ведомых устройств к одному ведущему устройству, один из которых упоминался выше, т. Е. Использование ведомого выбора, а другой - последовательное соединение, при этом используется меньше аппаратных выводов (линий выбора), но программное обеспечение усложняется.

Два или более сигналов на одном и том же проводе могут вызвать конфликты, и у вас возникнет проблема, если одно устройство отправит «1», а другое - «0». Поэтому шина подключена ИЛИ: два резистора поднимают шину на высокий уровень, а устройства посылают только низкие уровни. Если они хотят послать высокий уровень, они просто выпускают автобус.

TTL (Transistor Transistor Logic) не является протоколом. Это более старая технология для цифровой логики, но название часто используется для обозначения напряжения питания 5 В, часто неправильно ссылаясь на то, что следует называть UART.

О каждом из них можно написать книгу, и, похоже, я уже в пути. Это просто очень краткий обзор, дайте нам знать, если некоторые вещи требуют уточнения.

Поправлял ли вас когда-нибудь коллега, говоря, что это не UART, а USART? Иногда взаимозаменяемость этих терминов может быть вполне допустимой, но во многих случаях будет ошибкой. Давайте же рассмотрим внимательнее, что представляют собой USART и UART, и в чем их основные различия.

Большинство разработчиков встраиваемых систем знают, что такое UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (универсальный асинхронный приемник/передатчик). Это периферийное устройство микроконтроллера, преобразующее входящие и исходящие байты в последовательный поток данных. Стартовый бит инициирует начало передачи потока битов, а стоповый бит (или два) завершает слово данных. Кроме того, для выявления ошибок при передаче данных UART может вставлять в поток контрольный бит. На Рисунке 1 показан стандартный пример того, что ожидают увидеть инженеры при передаче данных через UART.

USART – Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter (универсальный синхронный /асинхронный приемник/передатчик) – ‘это периферийное устройство микроконтроллера, преобразующее входящие и исходящие байты в последовательный поток данных. Хм. Определение USART ничем не отличается от UART, за исключением одного добавленного слова «синхронный». Но должны же быть какие-то более значимые различия? Иначе USART был бы известен просто как UART.

Да, различия есть, причем весьма существенные. Первое отличие USART от UART определяется тем, каким образом могут синхронизироваться последовательные данные. Сигналы тактирования UART генерируются внутри микроконтроллера и синхронизируются с потоком данных по переходу стартового бита. Каких-либо входящих синхросигналов, связанных с данными, здесь нет, поэтому для правильной обработки принимаемых данных приемник должен заранее знать, какой будет скорость передачи.

Напротив, USART может быть настроен для работы в синхронном режиме. В этом режиме отправляющая данные периферия генерирует сигнал синхронизации, который периферией приемной стороны может быть извлечен из потока данных без априорной информации о скорости передачи. Возможен и другой вариант, когда для сигнала синхронизации выделяется отдельная линия. Использование внешнего сигнала синхронизации позволяет USART работать на скоростях до 4 Мбит/с – недостижимых для стандартных UART.

Другое важное отличие USART от UART заключается в количестве поддерживаемых периферийных протоколов. UART прост, и может предложить лишь небольшие вариации базового формата – количество стоповых бит и способ контроля ошибок (по четности или нечетности). USART намного сложнее и способен формировать потоки данных, совместимые со многими стандартными протоколами; IrDA, LIN, Smart Card, Driver Enable для RS-485 и Modbus – лишь несколько из них. При этом USART может, как и UART, работать в асинхронном режиме, что позволяет ему генерировать точно такие же типы последовательных данных, какие показаны на Рисунке 1.

Рисунок 1.

Поток последовательных данных UART.

Периферийные устройства USART и UART имеют определенно различные возможности и могут быть полезны в различных ситуациях, поэтому в стандартном микроконтроллере разработчик может обнаружить оба интерфейса. К примеру, возьмем микроконтроллеры семейства STM32, основной областью применения которых являются микромощные приложения. Среди периферийных устройств на кристаллах этих приборов есть как USART, так и UART. USART предназначен для выполнения «тяжелой работы» по последовательному обмену в периоды «большого» расхода энергии. Когда же микроконтроллер находится в спящем режиме или в режиме с пониженным потреблением, используется UART, способный выполнять низкоскоростной обмен, не выходя за рамки допустимого лимита энергии.

Так можно ли говорить, что USART и UART – это одно и тоже? Технически правильный ответ – «нет». USART, как правило, имеет набор функций, расширенный по сравнению с UART, и способен обрабатывать синхронизированные потоки данных на скоростях, во много раз превышающих скорости UART. Действительно, USART может выполнять все функции UART, и, возможно, поэтому во многих приложениях разработчики, имея в руках всю мощь USART, используют их как простые UART, игнорируя преимущества синхронного тактирования. Неудивительно, что очень многие используют эти термины так, будто они являются синонимами.

К чему это я. К тому, что с uart, находящимся со стороны самого компа (com порт), такого не бывает, порт никуда не пропадает при отключении девайса

Что сказать-то хотел?

Что COM-порты зря убрали.

вовремя спохватился. но мультяшки и сейчас продаются, там ничего не пропадает никуда.

Поставь отдельный usb-слейв и не выдёргивай его из компа. На ардуинках пины выведены.

Это тот, у которого ±12В? Спасибо, не надо.

Suigintou ★★★★ ( 08.10.16 13:37:24 )
Последнее исправление: Suigintou 08.10.16 13:39:11 (всего исправлений: 1)

Зашёл на маркет.яндекс, материнские платы, кол-во COM портов — от 1

более 6000 предложений. Разве что планки с хвостиком может не быть в комплекте.

greenman ★★★★★ ( 08.10.16 13:44:27 )
Последнее исправление: greenman 08.10.16 13:44:52 (всего исправлений: 1)

Это тот, у которого ±12В? Спасибо, не надо.

3.3V на пару метров не кинешь, помехи замучают

USB uart с длинным хвостом у меня есть. Глючит от включения/выключения лампочки (галогенка с трансформатором)

Use USB HID, Luke. Не хрен кидать говнопротоколы по USB.

ну, какбэ проблема в скоростях обмена, как правило. ты через COM-порт особо много данных не прогонишь. и есть дешёвые чипы для перегона RS-232 в USB. поэтому USB и вытеснил COM. собственно, COM нужен, если тебе нужны шнуры длиннее 15 метров. но там уже можно бросить скоростной ethernet.

Вообще USB HID используют только любители и пользователи Windows для того чтобы не писать драйвер. И это тоже говнопротокол. У нас же есть libusb, которая позволяет реализовывать все взаимодействие с USB в юзерспейсе.

Когда не надо гонять через интерфейс мегабайты данных в секунду, простое, рабочее, кроссплатформенное решение (не надо писать драйвер для каждой ос). И на мой взгляд более удобное, чем юарт.

Читайте также: