Цифровые интерфейсы МК. UART, RS-232, RS-422, RS-485

Интерфейс и протокол

Интерфейс

... - физический/логический способ взаимодействия между компонентами
Определяет:

• Аппаратные средства средства: линии связи (провода), уровни напряжения (TTL, LVDS), разъёмы
• Логическую структуру: как передются данные (последовательно/параллельно), синхронизацию (тактовый сигнал), роли устройств (мастер/ведомый)

Примеры интерфейсов:

• SPI (Serial Peripheral Interface) - аппаратная реализация
• I2C (Inter-Integrated Circuit) - сочетает аппаратные и логические правила
• USB - стандарт разъёмов, аппаратные и логические правила

Протокол

... - набор правил, определяющих формат и порядок обмена данными
Описывает:

• Структуру сообщений
• Последовательность действий
• Семантику данных

Примеры протоколов:

• HTTP
• Modbus - формат сообщений для промышленных систем
• TCP //GETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEADGETOUTOFMYHEAD

Схуяли что то типа SPI называют и интерфейсом, и протоколом?

SPI - интерфейс, включающий в себя протокол
Как интерфейс:

• Определяет физические линии
• Задаёт уровни напряжения
• Устанавливает роли

Как протокол:

• Определяет порядок передачи битов
• Задаёт режимы синхронизации
• Описывает интерпретацию данных

Отсюда и смешение терминов

Ключевое отличие интерфейс/протокол

• Интерфейс отвечает на вопрос "Как подключить устройства?"
• Протокол - на "Как они обмениваются данными?"

Протоколы UART, USART

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

... - Асинхронный последовательный протокол передачи данных
Работает без тактового сигнала
Использует два основных сигнала - TX (передача), RX (приём)
Данные передаются последовательно:

• Начиная со стартового бита
• За ним - биты данных
• Бит чётности (optional)
• Один/два стоповых бита

Особенности UART

• Асинхронная передача - не требует тактирования
• Формат кадра - 1 стартовый бит, 5-9 бит данных, 0/1 бит чётности, 1/2 стоповых бита
• Скорость передачи - задаётся битрейтом
• Дуплексность - полудуплексный/полный дуплекс
• Применение - широко используется в МК, GPS-модулях, Bluetooth, RS-232

Временная диаграмма UART

Диаграмма передачи байта 0b01001101

UART - асинхронный протокол, но для правильного приёма/передачи данных нужны битовая и кадровая синхронизации

Кадровая синхронизация UART

Кадровая синхронизация - корректное определение начала и конца каждого кадра

• Обнаружение стартового бита (0):
  • Линия UART висит в 1
  • Появился 0 - новый кадр
  • Приёмник запускает таймер для отсчёта битов
• Приём данных:
  • Приёмник фиксирует значения битов в заранее установленные моменты времени
• Проверка чётности (optional):
  • Если используется бит чётности - проверка его на соответствие с переданными данными
• Обнарузение стопового бита:
  • Наличие стопового бита (1) - завершение кадра
  • Если обнаружен 0 - ошибка кадрирования

Контроль чётности UART

• even parity -> число единиц чётное
• odd parity -> число единиц нечётное
• Ошибка - в слове состояния UART выставляет признак ошибки

Битовая синхронизация

Обеспечивает правильное определение границ каждого бита
Особенно важно ибо приёмник и передатчик работают на одном битрейте, но без тактвого сигнала
Как достигается:

• Фиксированный битрейт
• Приёмник использует стартовый бит для начала отсчёта времени середины каждого бита, дабы захватить значение строго в этот момент
• Для формирования временных битовых интервалов приёмник/передатчик имеют свои источники тактирования
• Точность источников в сумме погрешностей не должна превышать половины (в идеале четверти) битового интервала

Ошибки синхронизации UART

Битовой:

• Неравные битрейты - всё поехало
• Шум/дрожжание сигнала

Кадровой:

• Ошибка кадрирования
• Ошибка чётности
• Ошибки синхронизации - потеряешь данные нахуй

USART (Universal Syncronous/Asynchronous Receiver-Transmitter)

USART - более универсальный протокол, поддерживающий и синхронную и асинхронную передачу данных
В синхронном режиме юзает тактовый сигнал (duh)

Особенности USART

• Асинхронный режим - работает как UART
• Синхронный режим - добавляется линия тактирования SCK, синхронизация по фронту/спаду сигнала
• Выше скорость передачи - нет необходимости в стартовых/стоповых битах
• Применение - высокоскоростные системы, SPI-подключения, некоторые виды RS-485

Временная диаграмма USART, синхронный режим

Схемы поключения

Примеры работы с UART

AVR

// UART init
#include <avr/io.h>

#define F_CPU 16000000UL
#define BAUD 9600
#define UBRR_VAL ((F_CPU / 16 / BAUD) - 1)

void UART_init() {
    // Transmission speed
    UBRR0H = (uint8_t)(UBRR_VAL >> 8);
    UBRR0L = (uint8_t)UBRR_VAL;
    
    // Turn on i/o
    UCSR0B = (1 << TXEN0) | (1 << RXEN0);
    
    // No parity control
    UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);
}

// Data output (TX)
void UART_SendChar(uint8_t data) {
    // Wait for buffer to be freed
    while (!(UCSR0A) & (1 << UDRE0)));
    
    // Write to buffer
    UDR0 = data;
}

void UART_SendString(const char* str) {
    while (*str) {
        UART_SendChar(*str++);
    }
}
// ^ Sends a whole ass string daymn

// Data input (RX)
uin8_t UART_ReceiveChar() {
    // Wait for buffer
    while (!(UCSR0A & (1 << RXC0)));
    
    return UDR0;
}

// Usage example
int main() {
    UART_init();
    UART_SendString("Hello, UART!\r\n");
    
    while (1) {
        uint8_t received = UART_ReceiveChar();
        UART_SendChar(received); // echo
    }
}