Организация ввода-вывода данных в микропроцессорных системах

"УТВЕРЖДАЮ" Заведующий кафедрой ТЭА и РЭО "___"_______________ 20___ г. "___"_______________ 20___ г. "___"_______________ 20___ г. "___"_______________ 20___ г. "___"_______________ 20___ г. П Л А Н лекции № 10 по учебной дисциплине "ЦУ и МП в РЭО" Раздел 2. Микропроцессорные устройства в РЭО Тема 2.3. Принципы построения и работы микропроцессорных систем Занятие 2.3.1: "ОРГАНИЗАЦИЯ ВВОДА-ВЫВОДА ДАННЫХ В МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМАХ" Учебные и воспитательные цели: 1. Ознакомить обучаемых с форматами передачи данных. 2. Знать программную модель внешнего устройства, особенности работы системной шины и подключении внешних устройств к МП. 3. Прививать любовь к выбранной специальности. Учебный поток: 4-й курс (группы Р). Время: 2 часа. Место: аудитория согласно расписанию занятий. Учебно-материальное обеспечение: ТСО: мультимедийный комплект Учебная литература: [1] – [5]. Учебные вопросы и расчёт времени Учебные вопросы Время Введение. 1. Программная модель внешнего устройства. 2. Системная шина. 3. Подключение внешних устройств к микропроцессору. 4. Форматы передачи данных. Заключение. 5 20 20 20 20 5 Методические приемы изложения материала. Лекция состоит из вводной, основной и заключительной части. В вводной части излагается тема, цель, план лекции, значение темы, основная идея лекции, увязывается материал данной лекции с предыдущими и последующими занятиями. Введение должно быть кратким и подготовить обучаемых к восприятию содержания учебных вопросов лекции. Учебные вопросы лекции следует излагать в их диалектическом развитии с анализом и обобщением условий и факторов, влияющих на их содержание и изменение. Основная часть лекции излагается с учётом требований современных достижений науки и принципов обучения. Каждое теоретическое положение должно быть обосновано и доказано, приводимые формулировки и определения должны быть чёткими, насыщенны глубоким содержанием. Каждый учебный вопрос заканчивается краткими выводами, логически подводящими к последующему вопросу лекции. Материал лекции необходимо увязывать с практическими вопросами эксплуатации РЭО. Особое внимание необходимо сконцентрировать на особенностях работы системной шины и подключении внешних устройств к МП. Контроль усвоения материала и контакт с аудиторией поддерживается путём задания устных вопросов по предыдущим темам, связанным с данной лекцией. Темп лекции должен позволять обучаемым записывать основные положения. В заключительной части подводятся итоги и делаются общие выводы, вытекающие из основной части лекции, даётся задание на самостоятельную работу и рекомендации о порядке дальнейшего изучения основных вопросов лекции самостоятельно. Доцент кафедры ТЭА и РЭО: Э.Ж. Павлушкин "УТВЕРЖДАЮ" Заведующий кафедрой ТЭА и РЭО "___"_______________ 20___ г. "___"_______________ 20___ г. "___"_______________ 20___ г. "___"_______________ 20___ г. "___"_______________ 20___ г. ЛЕКЦИЯ № 10 по учебной дисциплине "ЦУ и МП в РЭО" Раздел 2. Микропроцессорные устройства в РЭО Тема 2.3. Принципы построения и работы микропроцессорных систем Занятие 2.3.1: "ОРГАНИЗАЦИЯ ВВОДА-ВЫВОДА ДАННЫХ В МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМАХ" Учебные и воспитательные цели: 1. Ознакомить обучаемых с форматами передачи данных. 2. Знать программную модель внешнего устройства, особенности работы системной шины и подключении внешних устройств к МП. 3. Прививать любовь к выбранной специальности. План лекции: Введение. 1. Программная модель внешнего устройства. 2. Системная шина. 3. Подключение внешних устройств к микропроцессору. 4. Форматы передачи данных. Заключение. Учебно-материальное обеспечение: ТСО: мультимедийный комплект Учебная литература: [1] – [5]. Обсуждены и одобрены на заседании ПМК кафедры ТЭА и РЭО. Протокол №__ от ".....".......... 20___г. Протокол №__ от ".....".......... 20___г. Протокол №__ от "….".......... 20___г. Протокол №__ от "….".......... 20___г. Протокол №__ от ".....".......... 20___г. Доцент кафедры ТЭА и РЭО: Э.Ж. Павлушкин 1. Программная модель внешнего устройства 1.1. Структурная схема простейшей МПС (слайд 3). В предыдущей теме были рассмотрены общие принципы работы микропроцессора – универсального цифрового устройства, позволяющего выполнять различные виды арифметических и логических операций. С его помощью можно реализовывать цифровые устройства различного назначения. Однако сам по себе МП никаких задач решать не может. Для обеспечения его работы к нему нужно подключить дополнительные устройства: порты ввода-вывода, различные виды памяти, таймеры и пр. Иными словами, требуется построить микропроцессорную систему (МПС). Структурная схема простейшей МПС, включающей перечисленные устройства, приведена на рисунке 10.1. (слайд 4). Рисунок 10.1 – Структурная схема простейшей микропроцессорной системы Не следует забывать, что и МПС как самостоятельное устройство никого не интересует. МПС это только инструмент решения задач управления каким-либо объектом или устройство, предназначенное для выполнения задач обработки сигналов (информации). В данной теме мы рассмотрим узлы МПС, позволяющие управляющей программе получать информацию из окружающей среды и воздействовать на неё в режиме реального времени. 1.2. Программная модель внешнего устройства (слайд 5). Организация ввода/вывода в МПС. Вводом/выводом (ВВ) называется передача данных между ядром ЭВМ, включающим в себя МП и основную память, и внешними устройствами (ВУ). Архитектура ВВ непосредственно влияет на эффективность всей системы и включает в себя: - режимы работы; - форматы команд; - особенности прерываний; - скорость обмена и др. За время эволюции ЭВМ подсистема ВВ претерпела наибольшие изменения благодаря расширению сферы применения ЭВМ и появлению новых ВУ. Особенно важную роль средства ВВ играют в управляющих ЭВМ. Разработка аппаратных средств и программного обеспечения ВВ является наиболее сложным этапом проектирования новых систем на базе ЭВМ, а возможности ВВ серийных машин представляют собой один из важных параметров, определяющих выбор машины для конкретного применения. Подключение ВУ к системной шине о которой речь пойдет ниже, осуществляется посредством электронных схем, называемых контроллерами ВВ (интерфейсами ВВ). Они согласуют уровни электрических сигналов, а также преобразуют машинные данные в формат, необходимый устройству, и наоборот. Обычно контроллеры ВВ конструктивно оформляются вместе с процессором в виде интерфейсных плат. В процессе ввода/вывода передается информация двух видов: - управляющие данные (слова); - собственно данные (данные-сообщения). (слайд 6). Управляющие данные от процессора, (командные слова, приказы), инициируют действия, не связанные непосредственно с передачей данных, например, запуск устройства, запрещение прерываний и т. п. Управляющие данные от ВУ называются словами состояния; они содержат информацию об определенных признаках, например, о готовности устройства к передаче данных, о наличии ошибок при обмене и т. п. Состояние обычно представляется в декодированной форме – один бит для каждого признака. Регистр, содержащий группу бит, к которой процессор обращается в операциях ВВ, образует порт ВВ. Таким образом, наиболее общая программная модель ВУ, которое может выполнять ввод и вывод, содержит четыре регистра ВВ: регистр выходных данных (выходной порт), регистр входных данных (входной порт), регистр управления и регистр состояния (рисунок 10.2). Каждый из этих регистров должен иметь однозначный адрес, который идентифицируется дешифратором адреса. В зависимости от особенностей устройства общая модель конкретизируется, например, отдельные регистры состояния и управления объединяются в один регистр, в устройстве ввода (вывода) имеется только регистр входных (выходных) данных, для ввода и вывода используется двунаправленный порт. (слайд 8). Непосредственные действия, связанные с вводом/выводом, реализуются одним из двух способов, различающихся адресацией регистров ВВ. Интерфейс с изолированными шинами характеризуется раздельной адресацией памяти и ВУ при обмене информацией. Изолированный ВВ предполагает наличие специальных команд ввода/вывода, общий формат которых показан на рисунке 10.3. При выполнении команды ввода IN содержимое адресуемого входного регистра PORT передается во внутренний регистр REG процессора, а при выполнении команды OUT содержимое регистра REG передается в выходной порт PORT. В процессоре могут быть и другие команды, относящиеся к ВВ и связанные с проверкой и модификацией содержимого регистра управления и состояния. (слайд 7). Рисунок 10.2 – Программная модель внешнего устройства Рисунок 10.3 – Команды ввода/вывода (общий формат) (слайд 9). В этом способе адресное пространство портов ВВ изолировано от адресного пространства памяти, т. е. в ЭВМ один и тот же адрес могут иметь порт ВВ и ячейка памяти. Разделение адресных пространств осуществляется с помощью управляющих сигналов, относящихся к системам ВВ и памяти (MEMRD# – считывание данных из памяти, MEMWR# – запись данных в память, IORD# – чтение порта ВВ, IOWR# – запись в порт ВВ) (# – активный низкий уровень сигналов). Таким образом, интерфейс с общими шинами (ввод/вывод с отображением на память) имеет организацию, при которой часть общего адресного пространства отводится для ВУ, регистры которых адресуются так же, как и ячейки памяти. В этом случае для адресации портов ВВ используются полные адресные сигналы: READ – чтение, WRITE – запись. В операционных системах ЭВМ имеется набор подпрограмм (драйверов ВВ), управляющих операциями ВВ стандартных ВУ. Благодаря им пользователь может не знать многих особенностей ВУ и интерфейсов ВВ, а применять четкие программные протоколы. 2. Системная шина (слайд 10). Системная шина предназначена для обмена информацией между микропроцессором и любыми внутренними устройствами МПС. В качестве обязательных устройств, которые входят в состав любой МПС мы назвали ОЗУ, ПЗУ, таймер, позволяющий МПС работать в реальном времени, порты ввода-вывода, осуществляющие обмен данными с внешней средой. Как уже упоминалось, в системную магистраль (системную шину) МПС входит три основные информационные шины: адреса, данных и управления. В состав системной шины, в зависимости от конкретного типа МП, входит одна или несколько ША, ШД и ШУ. Несколько ШД и ША применяется для увеличения производительности системы и используется, как правило, в сигнальных процессорах. В универсальных процессорах и контроллерах обычно применяется одна ША и одна ШД даже при использовании МП, построенного по гарвардской структуре. Все сигналы, необходимые для работы системной шины, формируются или опрашиваются микросхемой процессора. Это означает, что без МП системная шина функционировать не может. Иногда, для увеличения скорости обработки информации, функции управления системной шиной берет на себя отдельная микросхема (например, контроллер ПДП или сопроцессор), и тогда операции записи или чтения будет осуществлять именно эта микросхема. В современных МК или сигнальных процессорах контроллер ПДП или сопроцессор могут находиться непосредственно в составе микросхемы. (слайд 11). Шина данных (ШД) – это основная шина, ради которой и создается вся система. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена, а также максимально возможное количество команд. По ШД информация передается либо к процессору, либо от процессора в зависимости от операции (записи или чтения), выполняемой МП в данный момент времени, поэтому ШД всегда двунаправленная, так как предполагает передачу информации в обоих направлениях. Наиболее часто встречающийся тип выходного каскада для линий этой шины – выход с тремя состояниями. Обычно ШД имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной – только один байт. Разрядность ШД определяет и разрядность всей магистрали. Например, когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную ШД. (слайд 12). Шина адреса (ША) – определяет максимально возможную сложность МПС, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемых ША, определяется как 2N, где N – количество разрядов. Например, 16-разрядная шина адреса обеспечивает 65 536 адресов. Разрядность ША обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64. ША может быть однонаправленной (когда магистралью всегда управляет только процессор) или двунаправленной (когда процессор может временно передавать управление магистралью другому устройству, например контроллеру ПДП). Наиболее часто используются типы выходных каскадов с тремя состояниями или обычные ТТЛ (с двумя состояниями). Как в ШД, так и в ША может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий – логическому нулю. При отрицательной логике – наоборот. В большинстве случаев уровни сигналов на шинах – ТТЛ. (слайд 13). Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование ША и ШД. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи, как адреса, так и данных (в начале цикла – адрес, в конце цикла – данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления (ШУ). Понятно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена (рисунок 8.3). По типу ША и ШД все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные. Рисунок 10.4 – Мультиплексирование ША и ШД В некоторых мультиплексированных магистралях после одного кода адреса передается несколько кодов данных (массив данных). Это позволяет существенно повысить быстродействие магистрали. Иногда в магистралях применяется частичное мультиплексирование, то есть часть разрядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть – по мультиплексированным с адресом линиям. (слайд 14). Шина управления – это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип текущего цикла и фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям или стадиям цикла. Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина магистрали) с работой памяти или устройства ввода/вывода. Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предоставление прямого доступа. Сигналы ШУ могут передаваться как в положительной логике (реже), так и в отрицательной логике (чаще). Линии ШУ могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными. Типы выходных каскадов могут быть самыми разными: с двумя состояниями (для однонаправленных линий), с тремя состояниями (для двунаправленных линий), с открытым коллектором (для двунаправленных и мультиплексированных линий). (слайд 15). Самые главные управляющие сигналы – это стробы обмена, то есть сигналы, формируемые процессором и определяющие моменты времени, в которые производится пересылка данных по ШД, обмен данными. Чаще всего в магистрали используются два различных строба обмена: • строб записи (вывода), который определяет момент времени, когда устройство-исполнитель может принимать данные, выставленные процессором на ШД; • строб чтения (ввода), который определяет момент времени, когда устройство-исполнитель должно выдать на ШД код данных, который будет прочитан процессором. При этом большое значение имеет то, как процессор заканчивает обмен в пределах цикла, в какой момент он снимает свой строб обмена. Возможны два пути решения (рисунок 10.5.): • при синхронном обмене процессор заканчивает обмен данными самостоятельно, через раз и навсегда установленный временной интервал выдержки (tвыд), то есть без учета интересов устройства-исполнителя; • при асинхронном обмене процессор заканчивает обмен только тогда, когда устройство-исполнитель подтверждает выполнение операции специальным сигналом. (слайд 16). Рисунок 10.5 – Синхронный и асинхронный обмен (слайд 17). Достоинства синхронного обмена – более простой протокол обмена, меньшее количество управляющих сигналов. Недостатки – отсутствие гарантии, что исполнитель выполнил требуемую операцию, а также высокие требования к быстродействию исполнителя. Достоинства асинхронного обмена – более надежная пересылка данных, возможность работы с самыми разными по быстродействию исполнителями. Недостаток – необходимость формирования сигнала подтверждения всеми исполнителями, то есть дополнительные аппаратные затраты. Какой тип обмена быстрее, синхронный или асинхронный? Ответ на этот вопрос неоднозначен. С одной стороны, при асинхронном обмене требуется какое-то время на выработку, передачу дополнительного сигнала и на его обработку процессором. С другой стороны, при синхронном обмене приходится искусственно увеличивать длительность строба обмена для соответствия требованиям большего числа исполнителей, чтобы они успевали обмениваться информацией в темпе процессора. Поэтому иногда в магистрали предусматривают возможность как синхронного, так и асинхронного обмена, причем синхронный обмен является основным и довольно быстрым, а асинхронный применяется только для медленных исполнителей. 3. Подключение внешних устройств к микропроцессору (слайд 18). МПС часто используются для управления устройствами, блоками или системами связи. При этом для больших и дорогих систем связи, таких как автоматические телефонные станции или коммутационные центры сотовых систем связи, в качестве МПУ может быть использован универсальный компьютер или группа компьютеров, объединенных локальной или глобальной сетью связи. Для дешевой и портативной аппаратуры применяются специализированные МПУ, в качестве которых чаще всего используется однокристальный микроконтроллер, представляющий собой полностью законченную управляющую МПС с ПЗУ, ОЗУ, последовательными и параллельными портами, АЦП и таймерами, размещенными внутри одной микросхемы. (слайд 19). Внешними устройствами называются любые устройства, которыми управляет, от которых получает или которым передает информацию управляющая программа микропроцессора. В качестве ВУ для микропроцессора может выступать принтер или дисплей, клавиатура или модем, а для устройств связи в качестве ВУ чаще всего выступают микросхемы кабельных, радио- или оптических приемников или передатчиков, микросхемы синтезаторов частоты, исполнительные устройства. Управление подобными устройствами осуществляется обычно через параллельные или последовательные порты. Согласование сигналов цифровых микросхем между собой не представляет трудностей, т. к. практически все современные цифровые микросхемы по входным и выходным напряжениям согласованы между собой. Если же это не так, то для согласования нестандартных цифровых логических уровней выпускаются специальные микросхемы. Сложнее обстоит ситуация в случае подключения внешних исполнительных электромеханических устройств, являющихся индуктивной нагрузкой (электромагнитное реле, шаговый двигатель, электромагнит). Именно такие устройства представляют максимальный интерес при разработке устройств управления. (слайд 20, 21). На рисунке 10.6 приведена схема транзисторного ключа, позволяющая подключать к МПС электромагнитное исполнительное реле. Диод VD1 в этой схеме служит для ограничения напряжения импульсов ЭДС самоиндукции, которые могут вывести из строя силовой транзистор VT1. При закрывании транзисторного ключа напряжение самоиндукции открывает диод VD1, и ток, протекавший ранее через открытый транзистор VT1, через этот диод замыкается на выводы индуктивной нагрузки. В результате напряжение на коллекторе транзистора VT1 увеличивается по сравнению с напряжением питания только на значение падения напряжения на открытом диоде. (слайд 22). Из этого можно сделать вывод, что для управления такого рода устройствами достаточно на выходе МПС создать логический уровень нуля или единицы. Это легко можно осуществить записью в соответствующий триггер параллельного регистра нуля или единицы. Таким образом, управление исполнительными устройствами сводиться к записи определенной комбинации нулей и единиц в особые ячейки памяти микропроцессора. Так как они осуществляют связь между МПУ и внешним миром, то эти ячейки памяти получили название – порты. (Рассмотрим подробнее на следующей лекции). Рисунок 10.6 – Подключение внешнего устройства с индуктивной нагрузкой (слайд 23). Для успешного управления объектом, кроме формирования управляющих воздействий, МПС требуется постоянно получать информацию об изменении внешней ситуации в виде различных дискретных или аналоговых сигналов от разнообразных датчиков. Практически всегда при работе с внешними датчиками требуется гальваническая развязка между датчиками и управляющей МПС. Поэтому все датчики обычно выполняются так, что с точки зрения электрической схемы представляют собой контакты, работающие на замыкание и размыкание. При этом неважно, являются ли эти контакты механическими или представляют собой транзисторные схемы. В результате подобного подхода схема подключения практически любого датчика и механической кнопки не различаются. Со стороны МПУ требуется преобразовать замыкание/размыкание контактов в логические уровни, необходимые для правильной работы его управляющей программы. Эту функцию выполняет схема, приведённая на рисунке 10.7. (слайд 24). Рисунок 10.7 – Подключение источника дискретной информации с гальванической развязкой При разомкнутых контактах датчика К1 напряжение от источника питания поступает непосредственно на вход МПУ – уровень логической единицы. При замыкании контактов датчика К1 через них будет протекать ток, ограниченный сопротивлением R. В результате на входе МПУ напряжение уменьшиться до потенциала корпуса. При опросе этого вывода порта управляющей программой микропроцессора будет определён уровень логического нуля. Итак, для ввода информации о состоянии системы в МПС управляющей программе достаточно просто прочитать соответствующую ячейку памяти, т. е. этот процесс с точки зрения программы практически не отличается от процесса управления внешними объектами. 4. Форматы передачи данных (слайд 25). Рассмотрим некоторые общие вопросы, связанные с обменом данными между ВУ и микроЭВМ. Существуют два способа передачи слов информации по линиям данных: параллельный, когда одновременно пересылаются все биты слова, и последовательный, когда биты слова пересылаются поочередно, начиная, например, с его младшего разряда. Так как между отдельными проводниками шины для параллельной передачи данных существует электрическая емкость, то при изменении сигнала, передаваемого по одному из проводников, возникает помеха (короткий выброс напряжения) на других проводниках. С увеличением длины шины (увеличением емкости проводников) помехи возрастают и могут восприниматься приемником как сигналы. Поэтому рабочее расстояние для шины параллельной передачи данных ограничивается длиной 1-2 м, и только за счет существенного удорожания шины или снижения скорости передачи длину шины можно увеличить до 10-20 м. Указанное обстоятельство и желание использовать для дистанционной передачи информации телеграфные и телефонные линии обусловили широкое распространение способа последовательного обмена данными между ВУ и микроЭВМ и между несколькими микроЭВМ. Возможны два режима последовательной передачи данных: синхронный и асинхронный. При синхронной последовательной передаче каждый передаваемый бит данных сопровождается импульсом синхронизации, информирующим приемник о наличии на линии информационного бита. Следовательно, между передатчиком и приемником должны быть протянуты минимум три провода: два для передачи импульсов синхронизации и бит данных, а также общий заземленный проводник. Если же передатчик (например, микроЭВМ) и приемник (например, дисплей) разнесены на несколько метров, то каждый из сигналов (информационный и синхронизирующий) придется посылать либо по экранированному (телевизионному) кабелю, либо с помощью витой пары проводов, один из которых заземлен или передает сигнал, инверсный основному. Синхронная последовательная передача начинается с пересылки в приемник одного или двух символов синхронизации (не путать с импульсами синхронизации). Получив такой символ (символы), приемник начинает прием данных и их преобразование в параллельный формат. Естественно, что при такой организации синхронной последовательной передачи она целесообразна лишь для пересылки массивов слов, а не отдельных символов. Это обстоятельство, а также необходимость использования для обмена сравнительно дорогих (четырехпроводных или кабельных) линий связи помешало широкому распространению синхронной последовательности передачи данных. Асинхронная последовательная передача данных означает, что у передатчика и приемника нет общего генератора синхроимпульсов и что синхронизирующий сигнал не посылается вместе с данными. Как же в таком случае приемник будет узнавать о моментах начала и завершения передачи бит данных. Опишем простую процедуру, которую можно использовать, если передатчик и приемник асинхронной последовательной передачи данных согласованы по формату и скорости передачи. Стандартный формат асинхронной последовательной передачи данных, используемый в ЭВМ и ВУ, содержит n пересылаемых бит информации (при пересылке символов n равно 7 или 8 битам) и 3-4 дополнительных бита: стартовый бит, бит контроля четности (или нечетности) и 1 или 2 стоповых бита (рисунок 10.8 а). Бит четности (или нечетности) может отсутствовать. Когда передатчик бездействует (данные не посылаются на линию), на линии сохраняется уровень сигнала, соответствующий логической 1. (слайд 26). Рисунок 10.8 – Формат асинхронной последовательной передачи данных Передатчик может начать пересылку символа в любой момент времени посредством генерирования стартового бита, т. е. перевода линии в состояние логического 0 на время, точно равное времени передачи бита. Затем происходит передача битов символа, начиная с младшего значащего бита, за которым следует дополнительный бит контроля по четности или нечетности. Далее с помощью стопового бита линия переводится в состояние логической 1 (рисунок 10.8 б).). При единичном бите контроля стоповый бит не изменяет состояния сигнала на линии. Состояние логической 1 должно поддерживаться в течение промежутка времени, равного 1 или 2 временам передачи бита. Промежуток времени от начала стартового бита до конца стопового бита (стоповых бит) называется кадром. Сразу после стоповых бит передатчик может посылать новый стартовый бит, если имеется другой символ для передачи; в противном случае уровень логической 1 может сохраняться на протяжение всего времени, пока бездействует передатчик. Новый стартовый бит может быть послан в любой момент времени после окончания стопового бита, например, через промежуток времени, равный 0.43 или 1.5 времени передачи бита. В линиях последовательной передачи данных передатчик и приемник должны быть согласованы по всем параметрам формата, изображенного на рисунке 10.8, включая номинальное время передачи бита. Для этого в приемнике устанавливается генератор синхроимпульсов, частота которого должна совпадать с частотой аналогичного генератора передатчика. Кроме того, для обеспечения оптимальной защищенности сигнала от искажения, шумов и разброса частоты синхроимпульсов приемник должен считывать принимаемый бит в середине его длительности. Рассмотрим работу приемника с того момента, когда он закончил прием символа данных и перешел в режим обнаружения стартового бита следующего слова. Если линия перешла в состояние логического нуля и находится в этом состоянии в течение времени, не меньшего половины временного интервала передачи бита, то приемник переводится в режим считывания бит информации. В противном случае приемник остается в режиме обнаружения, так как вероятнее всего это был не стартовый бит, а шумовая помеха. В новом режиме приемник вырабатывает сигналы считывания через интервалы, равные времени передачи бита, т. е. выполняет считывание и сохранение принимаемых бит примерно на середине их передачи. Аналогичным образом будут считаны бит контроля четности и сигнал логической единицы (стоповый бит). (слайд 27). Если оказалось, что на месте стопового бита обнаружен сигнал логического нуля, то произошла "Ошибка кадра" и символ принят неправильно. Иначе проверяется, четно ли общее число единиц в информационных битах и бите контроля, и, если оно четно, производится запись принятого символа в буфер приемника. Передний фронт стартового бита сигнализирует о начале поступления передаваемой информации, а момент его появления служит точкой отсчета времени для считывания бит данных. Стоповый бит предоставляет время для записи принятого символа в буфер приемника и обеспечивает возможность выявления ошибки кадра. Наиболее часто ошибки кадра появляются тогда, когда приемник ошибочно синхронизирован с битом 0, который в действительности не является стартовым битом. Если передатчик бездействует (посылает сигнал логической единицы) в течение одного кадра или более, то всегда можно восстановить правильную синхронизацию. Хуже обстоит дело при рассинхронизации генераторов передатчика и приемника, когда временной интервал между сигналами считывания принимаемых битов будет меньше или больше времени передачи бита. Например, если при считывании битов посылки, показанной на рисунке 10.8 б, временной интервал между сигналами считывания станет на 6% меньше, чем время передачи бита, то восьмой и девятый сигналы считывания будут выработаны тогда, когда на линии находится бит контроля четности (рисунок 10.9). Следовательно, не будет обнаружен стоповый бит и будет зафиксирована ошибка кадра, несмотря на правильность принятой информации. Однако при 18%-й рассинхронизации генераторов, когда вместо кода (01110001) приемник зафиксирует код (11100001), никаких ошибок не будет обнаружено – четность соблюдена и стоповый (девятый по порядку) бит равен 1. Рисунок 10.9 – Ошибка из-за рассинхронизации генераторов передатчика и приемника