Uart что это такое простыми словами

UART — Универсальный Асинхронный Приёмопередатчик

Универсальный асинхронный приёмопередатчик (Univsersal Asynchronos Reciever-Transmitter) — это физическое устройство приёма и передачи данных по двум проводам. Оно позволяет двум устройствам обмениваться данными на различных скоростях. В спецификацию UART не входят аналоговые уровни на которых ведётся общение между устройствами, UART это протокол передачи единиц и нулей, электрическую спецификацию на себя берут другие стандарты, такие как TTL (transistor-transistor logic — транзисторно-транзисторная логика), RS-232, RS-422, RS-485 и другие (RS [англ.recommended standard] — рекомендованный стандарт). На данный момент в микроконтроллерах используется в основном TTL (или точнее CMOS) UART для соединения не более двух устройств. В наших примерах мы часто называем его последовательным портом.

Подключение:

У каждого устройства, поддерживающего UART обычно обозначены два вывода: RX и TX. TX — означает transmit (передаю), RX — receive (принимаю). Отсюда становится понятно что RX одного устройства нужно подключать к TX другого. Если Вы подключите RX одного устройства к RX другого, то оба устройства будут слушать друг друга, вы соединили их входы. Если соединить TX и TX — это уже более опасно, это выходы низкого сопротивления устройств и если на одном будет логическая единица, а на втором ноль — по проводу пойдёт ток короткого замыкания (это зависит от конкретной программной или аппаратной реализации). Хотя в современных чипах от этого есть защита, на всякий случай, не стоит на неё ориентироваться. Так же необходимо объединить референсные уровни двух устройств (GND—GND), если не подразумевается гальваническая развязка.

Пример соединения двух UNO:

UART на Arduino:

На Arduino и Arduino-совместимых платах аппаратный UART обозначается символами RX и TX рядом с соответствующими выводами. На Arduino UNO/Piranha UNO это 0 и 1 цифровые выводы:

Arduino UNO/Piranha UNO

В скетче инициализируется функцией begin() в коде функции setup():

Пример:

Piranha ULTRA

На Piranha ULTRA присутствуют два аппаратных UART. Один на тех же выводах, что и UNO, второй на 8 (RX) и 9 (TX) выводах:

В Arduino IDE второй аппаратный UART называется Serial1 (Сериал один), и инициализируется так же как и первый:

Простой пример для копирования буфера первого UART'а во второй и наоборот:

Arduino MEGA

У Arduino MEGA, помимо UART'a на цифровых выводах 0 и 1 как и у UNO, присутствуют ещё три аппаратных UART. На плате это выводы 19 (RX1), 18 (TX1), 17 (RX2), 16 (TX2) и 15 (RX3), 14 (TX3) соответственно. UART совместимый по расположению с UNO обозначен RX0, TX0:

На заметку: На многих Arduino и Arduino-совместимых платах UART0 используется для загрузки скетчей, так что если Ваш скетч не загружается, проверьте эти выводы. Во время загрузки скетча к ним ничего не должно быть подключено.

Отладка проектов при помощи UART

В совокупности с монитором последовательного порта UART может быть очень полезен для отладки кода. Например, если не понятно доходит ли Ваш код до определённого места или какие значения принимает переменная, можно вызвать функцию println() и вывести значение переменной или какое-нибудь сообщение в монитор порта. В Arduino IDE монитор порта находится в меню Инструменты -> Монитор порта, так же его можно вызвать нажав пиктограмму лупы в правом верхнем углу главного окна Arduino IDE или вызвать с клавиатуры комбинацией клавиш Ctrl+Shift+M. Перед вызовом монитора порта необходимо выбрать порт с которым Вы хотите работать. Сделать это можно в меню Инструменты -> Порт.

Для удобства отладки можно указать директивы препроцессора языка Си #define , #ifdef , #ifndef

Пример:

Программный UART на Arduino

Помимо аппаратного UART в Arduino можно использовать программный. Программный порт хорошо подходит для простых проектов, не критичных к времени работы кода или для отладки проектов, позволяя не отключать модули использующие UART во время загрузки сетчей. При его использовании нужно лишь помнить что никакой другой код не может выполняться пока программа занимается считыванием данных из него и передача может осуществляться только в полудуплексном или симплексном режимах. Так же на программный RX можно назначать только те выводы, которые поддерживают прерывание по смене уровней. На UNO, например, это все цифровые выводы, кроме 13-го. Прежде чем собирать свой проект, проконсультируйтесь с инструкцией к конкретной плате.

Пример использования программного порта:

Далее к программному порту нужно обращаться через объект mySerial . Например: mySerial.write(data); .

UART на Raspberry Pi:

На Raspberry Pi UART находится на выводах колодки 8 — TX (GPIO14) и 10 — RX (GPIO15)

Перед работой с последовательным портом необходимо его включить. Сделать это можно из эмулятора терминала командой sudo raspi-config -> Interfacing options -> Serial -> No -> Yes -> OK -> Finish или из графической среды в главном меню -> Параметры -> Raspberry Pi Configuration -> Interfaces -> Serial Port

Пример работы с последовательным портом на Python:

Данный пример выводит строку «iArduino.ru» в последовательный порт Raspberry и ждёт данных из последовательного порта.

Подробнее о UART:

Параметры

При обозначении параметров UART принято использовать короткую запись ЦИФРА—БУКВА—ЦИФРА

ЦИФРА — количество бит в кадре
- от 5 до 9 бит. Обычно 8.
- N — None (Отсутствует) без бита чётности
- E — Even (Чётный). Проверка данных на чётность. Перед стоп-битом в кадр добавляется бит: 0 если в кадре было нечётное количество единиц, 1 — если чётное.
- O — Odd (Нечётный). Проверка данных на нечётность. Перед стоп-битом в кадр добавляется бит: 1 если в кадре было нечётное количество единиц, 0 — если чётное.
- 1, 1.5, 2. Продолжительность стоп-бита (1, 1.5 или 2 битовых интервала)
Таким образом, стандартные настройки в Arduino: 8-N-1

Кадрирование данных

При приёме-передаче данных каждое устройство ориентируется на своё внутреннее тактирование. Обычно это тактирование от 8 до 16 раз быстрее скорости передачи данных и обычно отсчитывается от стартового бита. Именно поэтому необходимо чтобы оба устройства были настроены на одну и ту же скорость передачи.

Так же при передаче данных присутствуют синхронизирующие биты, именуемые старт-бит и стоп-бит. Старт-бит сигнализирует о начале передачи данных и стоп-бит, соответственно об окончании.

Рассмотрим кадр данных:

При разговорах о серийный протоколах принято использовать такие слова как кадр и пакет. Кадр — интервал от старт-бита до стоп-бита. Пакет — количество кадров полезных данных. При этом не стоит путать кадр и байт: байт — это только сами данные, не включающие в себя синхронизирующие и проверочные биты.

Старт-бит:

При отсутствии передачи линия удерживается в состоянии логической единицы (в случае TTL Arduino это 5 вольт или Vcc). Как только передающее устройство притягивает линию к 0 (GND или 0 вольт в случае Arduino), это сигнализирует принимающему устройству о том что сейчас будет передача данных.

Данные:

При появлении старт-бита на линии принимающее устройство начинает отсчитывать время в соответствии с установленной скоростью и считывать состояния линии через определённые промежутки времени в соответствии с установленным количеством бит данных, после этого.

Стоп-бит:

По завершении передачи данных принимающее устройство ожидает стоп-бит, который должен быть на уровне логической единицы. Если по завершении кадра удерживается логический ноль, значит данные неверны. Если логический ноль удерживается время, превышающее длину кадра в 1,5 раза, такое состояние именуется break (разрыв линии, исторически пошло от устройств, использующих токовую петлю для передачи данных). Некоторые передатчики вызывают это состояния специально перед посылкой пакета данных. Некоторые приёмники считают такое состояние за неправильно выставленную скорость и сбрасывают свои настройки на установки «по умолчанию».

Скорость передачи данных

Скорость изменения логических уровней (импульсов) на линии принято измерять в бодах. Единица измерения названа так в честь французского изобретателя Жана Мориса Эмиля Бодо.

Скорость при использовании UART может быть любой, единственное требование — скорости передающего и принимающего должны быть одинаковы. Стандартная скорость UART принята за 9600 бод. Arduino без проблем и лишних настроек может принимать и передавать данные на скоростях до 115200 бод.

Так как при передаче данных присутствуют синхронизирующие биты, именуемые старт-бит и стоп-бит, не совсем корректно говорить, что скорость 9600 бод равна 9600 битам в секунду. Если речь идёт о полезных данных, то реальная скорость на 20% ниже. Например, если выставлены параметры 8-N-1 и 9600 бод, то на передачу одного байта уходит десять бит, и 9600/10 = 960 байт, что равно 7680 битам в секунду.

Методы связи

UART позволяет одновременно передавать и принимать данные, однако не всегда это возможно или нужно. Например, если Вам нужно только получать не критические данные (которые можно проверить следующим пакетом, например расстояние, посылаемое лидаром каждые несколько сотен миллисекунд) от цифрового датчика или любого другого устройства и не нужно ничего передавать, такой метод называется симплексным. Всего различают три метода связи:

4.UART

Это один из самых распространенных интерфейсов. Устроен он предельно просто: биты передаются по одному с равными, заранее заданными интервалами. Признаком начала передачи является стартовый бит — переход из “пассивного” уровня (лог.1) в “активный” (лог.0). После него идут 8 бит данных начиная с младшего. Далее может идти, а может и не идти бит четности, служащий для контроля целостности байта, и наконец, несколько (даже не всегда целое число) стоп-битов. Стоп-бит является переходом от состояния предыдущего бита к “пассивному” уровню. Передача осуществляется по линии TX, прием по линии RX и могут идти одновременно. Поэтому UART — трехпроводная линия: TX, RX и земля. Линия TX одного устройства соединяется с RX второго и наоборот. Нельзя соединять TX с TX. Соединять RX с RX можно, но бесполезно. Поскольку точность обмена целиком зависит от временных интервалов, требуется хорошее согласование частот передатчика и приемника. По-хорошему, тактирование от кварцевого резонатора, но практика показывает, что и у обычного RC-генератора, используемого по умолчанию контроллером, хватает для отладочных целей. Кроме того, существует ряд стандартных скоростей обмена вроде 9600 или 115200 бит в секунду. В случае Linux, посмотреть их можно в документации на termios.

Сам по себе UART обозначает только способ передачи данных и тайминги, но не уровни сигналов или разъемы. Это позволяет разводить линии UART непосредственно на плате для соединения периферии и использовать уровни, совпадающие с напряжением питания. Для GD32VF103 логическому 0 будет соответствовать 0 В, а логической 1 — +3.3 В.

Существует и вариация UART, предназначенная для соединения отдельных приборов — RS232, она же COM-порт. Отличие в логических уровнях (лог.0 = +5…+15 В, лог.1 = -5…-15 В), стандартном разъеме (DB9 или DB25) и наличии дополнительных управляющих выводов вроде готовности передатчика или наличия тонового сигнала.

Обозначение UART или USART говорит, что данный интерфейс может работать и в синхронном режиме. Правда, используется это довольно редко. Лично мне привычнее называть его именно UART, не вспоминая о синхронных возможностях.

4.1. Программирование UART

Как и в случае любой периферии, перед использованием на нее надо подать тактовый сигнал. В случае USART0 за нее отвечает бит RCU_APB2ENR_USART0EN. Кроме того, поскольку UART задействует ноги ввода-вывода для своей работы, их необходимо настроить так, чтобы значение GPIOx_OCTL ей не мешало. Этот режим называется Alternate-function и кодируется битами 0b1011. Впрочем, ножка входа (RX) используется только для чтения и с OCTL не конфликтует, поэтому ее оставляют в режиме Input. Также работу альтернативных функций необходимо разрешить выставлением бита RCU_APB2ENR_AFEN.

После этого настраивается режим работы модуля. Настройка заключается в разрешении работы модуля (бит USART_CTL0_UEN), разрешении передачи (бит USART_CTL0_TEN) и приема (бит USART_CTL0_REN). После этого выставляется скорость обмена. Она определяется регистром USART_BAUD, который содержит делитель тактовой частоты (на самом деле, частоты шины APB2, поскольку частота на разных шинах может отличаться). В документации приведена страшная формула, содержащая целую и дробную части этого делителя, но на практике достаточно записать туда просто частное от деления тактовой частоты на скорость обмена. После этого в регистр USART_DATA можно записывать байт для передачи. В этот же регистр попадет байт, принятый с другой стороны.

Скорость UART мы выставили в 9600 бод, тогда как скорость ядра составляет 8 МГц. Поэтому нельзя записывать в USART_DATA байты на максимальной скорости — надо дожидаться пока модуль очередной байт передаст. За это отвечает бит USART_STAT_TBE. Аналогично за прием байта отвечает бит USART_STAT_RBNE, который надо проверять чтобы определить был ли принят хоть один байт.
1. Разрешить тактирование UART и AF: биты RCU_APB2ENR_USART0EN и RCU_APB2ENR_AFEN.
2. Настроить выводы RX, TX на вход и альтернативный выход соответственно.
3. Разрешить работу UART, передатчика и приемника: биты USART_CTL0_UEN, USART_CTL0_TEN и USART_CTL0_REN.
4. Настроить скорость обмена: USART_BAUD как делитель тактовой частоты
5. Передача:
  1. Дождаться бита USART_STAT_TBE
  2. Записать новый байт в USART_DATA
  1. Дождаться бита USART_STAT_RBNE
  2. Считать принятый байт из USART_DATA
  4.2. Отладка при помощи UART
  
  Самый простой способ отладки: на компьютере запускается screen или другая утилита для просмотра и передачи файлов через COM-порт, для нее указывается имя порта (обычно что-то вроде /dev/ttyUSB0) и скорость обмена (та же, что выставлена на устройстве). Далее компьютер и контроллер могут обмениваться обычными текстовыми строками. Удобно функции приема и передачи строк оформить в виде подпрограмм. Еще удобнее организовать буфер-очередь (FIFO), в который из основного кода писать (читать), а по прерываниям UART передавать данные через собственно интерфейс.
  
  При использовании screen стоит помнить, что выйти из него не проще, чем из vim’а. Сначала нужно нажать ctrl+a, потом отпустить, и нажать k. Он выдаст запрос подтверждения выхода, и там надо нажать y. Еще раз: нажали ctrl, нажали a, отпустили a и ctrl, нажали k, отпустили k, нажали y, отпустили y. Подобным способом в screen вводятся и другие команды: переключение окон, разделение по вертикали и горизонтали и т.д. Очень удобно при подключении к удаленному компьютеру, когда доступ есть только по ssh.
  
  UART и с чем его едят
  
  После Vogue истерии появилось множество вопросов, как подключить плату к компьютеру. И многие люди даже не понимают, что же такое UART. И я решил рассказать здесь какой это мощный инструмент.
  
  Роутер превращается в компьютер, если к нему по UART подключить клавиатуру и дисплей
  
  От телеграфа к COM-порту
  
  Протокол UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) или, по-русски, УАПП (универсальный асинхронный приемопередатчик) — старейший и самый распространенный на сегодняшний день физический протокол передачи данных. Наиболее известен из семейства UART протокол RS-232 (в народе – COM-порт, тот самый который стоит у тебя в компе). Это, наверное, самый древний компьютерный интерфейс. Он дожил до наших дней и не потерял своей актуальности.
  
  Надо сказать, что изначально интерфейс УАПП появился в США как средство для передачи телеграфных сообщений, и рабочих бит там было пять (как в азбуке Морзе). Для передачи использовались механические устройства. Потом появились компьютеры, и коды ASCII, которые потребовали семь бит. В начале 60-х на смену пришла всем известная 8-битная таблица ASCII, и тогда формат передачи стал занимать полноценный байт, плюс управляющие три бита.
  
  В 1971 году, когда уже начался бум микросхем, Гордон Белл для компьютеров PDP фирмы Western Digital сделал микросхему UART WD1402A. Примерно в начале 80-х фирмой National Semiconductor был создан чип 8520. В 90-е был придуман буфер к интерфейсу, что позволило передавать данные на более высоких скоростях. Этот интерфейс, не претерпев практически никаких изменений, дошел и до наших дней
  
  Физика интерфейса
  
  Чтобы понять, что роднит и отличает разные UART-интерфейсы, разберем принцип работы самого популярного и любимого нами протокола RS-232. Дотошно расписывать все тонкости его работы я не буду. Об этом написан ни один десяток мегабайт статей, и если ты умеешь пользоваться Гуглом, то без проблем найдешь всю необходимую информацию. Но основы я расскажу, благо с ними можно уже круто всем рулить, а всякие фишки используются очень редко.
  
  Основные рабочие линии у нас – RXD и TXD, или просто RX и TX. Передающая линия – TXD (Transmitted Data), а порт RXD (Received Data) – принимающая.
  Эти линии СОМ-порта задействованы при передаче без аппаратного управления потоком данных. При аппаратном потоке задействованы еще дополнительные интерфейсные линии (DTS, RTS и пр.). Выход передатчика TX соединен с входом приемника RX и наоборот. Электрический принцип работы RS-232 отличается от стандартной 5-вольтовой TTL логики. В этом протоколе логический нуль лежит от +3 до +12 вольт, а единица от -3 до -12, соответственно. Промежуток от -3 до +3 вольт считается зоной неопределенности. Учти, что все напряжения указаны относительно корпуса компьютера, или земли. Теперь, я думаю, ты понимаешь, зачем в компьютерном блоке питания существует сразу два напряжения: -12 и +12 вольт. Они были введены специально для работы СОМ-порта.
  
  Приём сигнала по RS-232 (взято из книги М.Гук «Аппаратные интерфейсы ПК»)
  
  Такая большая амплитуда рабочих напряжений, целых 24 вольта, нужна в первую очередь для помехоустойчивости линий связи. По стандарту, длина кабеля, по которому у нас бегают данные, может быть 15 м. Хотя на практике люди умудрялись заставлять его работать даже на 25 м. Электрические параметры RS-232 – это главная характеристика, которая отличает его от других протоколов семейства UART.
  
  Следующие характеристики – формат посылки и скорость передачи данных – полностью применимы ко всем видам UART и обеспечивают их совместимость через несложные схемы сопряжения.
  
  Стандартная посылка занимает 10 бит. Но правило это распространяется только на стандартные настройки СОМ-порта. В принципе, его можно перенастроить так, чтобы он даже интерфейс One-Wire понимал. В режиме простоя, когда по линии ничего не передается, она находится в состоянии логической единицы, или -12 вольт. Начало передачи обозначают передачей стартового бита, который всегда равен нулю. Затем идет передача восьми бит данных. Завершает посылку бит четности и стоповый бит. Бит четности осуществляет проверку переданных данных. Стоповый бит говорит нам, что пересылка данных завершена. Надо отметить, что STOP-бит может занимать 1, 1.5, и 2 бита. Не стоит думать, что это дробные биты, это число говорит только о его длительности. Стоповый бит, как и стартовый, равен нулю.
  
  Сигнал UART на экране осциллографа. Виден старт бит, данные и стоповый бит. Спасибо DIHALTза картинку
  
  Скорость работы
  
  Даже если тебе раньше никогда не приходилось работать с СОМ-портом, по крайней мере, в модеме ты должен знать номинальные скорости работы: 9600, 28800, 33600, 56000 и т.п. Сколько бит в секунду убегает из нашего порта? Вот смотри, допустим, скорость у нас 9600 бит в секунду. Это означает, что передача одного бита будет занимать 1/9600 секунды, а пересылка байта – 11/9600. И такая скорость для байта верна только в случае, если стоп-бит будет занимать один бит. В случае, если он занимает два стоп-бита, то передача будет 12/9600. Это связано с тем, что вместе с битами данных передаются еще специальные биты: старт, стоп и бит четности. Линейка скоростей СОМ-порта стандартизирована. Как правило, все устройства работают на трех стандартных скоростях: 9600, 19200, 115200. Но возможны другие варианты, даже использование нестандартных скоростей или скорости, меняющейся во времени, – с этим я сталкивался при разборе полетов очередного устройства.
  
  Такой разный протокол
  
  Видов UART существует великое множество. Я не буду перечислять их наименования, ибо, если ты владеешь английским, то сумеешь и сам нагуглить. Но самые основные не отметить нельзя! Напомню, что главное отличие интерфейсов состоит в среде и способе передаче данных. Данные могут передаваться даже по оптоволокну.
  
  Второй по распространению интерфейс после RS-232 – это RS-485. Он является промышленным стандартом, и передача в нем осуществляется по витой паре, что дает ему неплохую помехоустойчивость и повышенную скорость передачи до 4 мегабит в секунду. Длина провода тут может достигать 1 км. Как правило, он используется на заводах для управления разными станками.
  
  Надо сказать, что IRDA, или инфракрасная связь, которая встроена в большинство телефонов и КПК, тоже по сути является UARTом. Только данные передаются не по проводам, а с помощью инфракрасного излучения.
  
  В SMART-картах (SIM, спутниковое телевиденье, банковские карты) – тех самых устройствах, которые мечтает похачить каждый уважающий себя фрикер – тоже используется наш любимый UART. Правда, там полудуплексная передача данных, и логика работы может быть 1,8/3,3 и 5 вольт. Выглядит так, будто RX запаян с TX на одном конце и на другом – в результате, один передает, другой в этот момент слушает, и наоборот. Это регламентировано стандартом смарт-карт. Так мы точно знаем, сколько байт пошлем, и сколько нам ответит карточка. Тема достойна отдельной статьи. В общем, запомни, что UART есть практически везде.
  
  Устройства, которые имеют на своём борту UART, по часовой стрелке: мышка, ридер-эмулятор SMART-карт, КПК Palm m105, отладочная плата для микроконтроллера ATtiny2313 (или AT89C2051), модем.
  
  Сопряжение интерфейсов
  
  Я уже глаза намозолил разными интерфейсами, но как с ними работать-то? Ну, с обычным RS-232 понятно, а, допустим, с 5-вольтовым юартом как быть? Все просто: существуют различные готовые микросхемы-преобразователи. Как правило, в маркировке они содержат цифры «232». Увидел в схеме микруху с этими цифирями – будь уверен: скорее всего, это преобразователь. Через такие микросхемы с небольшим обвязом и сопрягаются все интерфейсы UART. Я не буду рассказывать о промышленных интерфейсах, а скажу о тех преобразователях, которые интересуют нас в первую очередь.
  
  Самый известный преобразователь интерфейса – это микросхема, разработанная фирмой MAXIM, которая и получила от нее часть своего названия (max232). Для ее работы требуется четыре конденсатора от 0,1 микрофарады до 4 микрофарад и питание 5 вольт. Удивительно, что эта микросхема из 5 вольт генерирует отрицательное напряжение, чтобы сопрягать 5-вольтовый UART с RS-232.
  
  Существуют микросхемы сопряжения USB с UART, например, микросхема ft232rl. В Ubuntu для этой микросхемы уже встроены драйвера. Для Windows их придется качать с официального сайта. После установки драйверов в системе появится виртуальный СОМ-порт, и с ним уже можно рулить различными устройствами. Советую не принимать эти микросхемы, как единственно возможные. Найдется громадное количество более дешевых и интересных аналогов, посему наседай на Гугл и поймешь, что мир UARTа – это круто.
  
  В целом, микросхемы стоят достаточно дорого и порой можно обойтись более сложными, но зато более дешевыми схемами на паре транзисторов.
  
  Что нам это дает?
  
  Как ты понял, интерфейс UART присутствует во многих устройствах, в которых стоит какой-либо процессор или контроллер. Я даже больше скажу: если там стоит контроллер, то юарт есть стопудово (только он не всегда может использоваться). Как правило, по этому интерфейсу идет наладка и проверка работоспособности девайса. Зачастую производитель умалчивает о наличии этого интерфейса в изделии, но найти его несложно: достаточно скачать мануал на процессор и, где находится юарт, ты будешь знать. После того, как ты получишь физический доступ к железяке по нашему интерфейсу, можно его настроить на свое усмотрение или даже заставить работать, так как надо тебе, а не как задумал производитель. В общем, – выжать максимум возможностей из скромного девайса. Знание этого протокола дает также возможность подслушать, что же творится в линиях обмена между различными процессорами, так как часто производители организуют целые юарт-сети в своем устройстве. В общем, применений много, главное – интуитивно понимать, как это делать.
  
  Апдейтим роутер
  
  Намедни я намутил себе WiFi-роутер WL-520GU и, прочитав статью Step’a «Level-up для точки доступа» (][ #106), успешно установил туда Linux. Но у меня возникли проблемы с монтированием swap-раздела жесткого диска. Так появилась необходимость посмотреть лог загрузки точки доступа – подмонтировался раздел или нет – причем, как говорится, на лету, чтобы сразу вносить необходимые изменения. Шестым чувством я подозревал, что в моем роутере просто обязан быть UART. Я взял в руки крестовую отвертку и начал его разбирать. Дело тривиальное, но с заковыркой – потайные винтики находятся под резиновыми ножками (если решишь повторить, помни, что при разборе ты лишаешься гарантии). Моему взору предстала достаточно скучная плата, где все «chip-in-one»: один центральный процессор, в который включено все, внешняя оператива, флеша, преобразователь питания и рядок разъемов с кнопками. Но на плате была не распаянная контактная площадка, точнее сказать, отверстия под иголки. Их было четыре штуки. Вот он UART, это очевидно! По плате даже без мультиметра видно, что крайние иголки – это +3,3 вольта и второй – земля. Средние контакты, соответственно, RX и TX. Какой из них что, легко устанавливается методом научного тыка (спалить интерфейс очень проблематично).
  Сразу хочу отметить, что интерфейс UART в каждом роутере выглядит по-разному. В большинстве случаев, это не распаянные отверстия на плате. Правда, в одном роутере от ASUS я даже встретил полностью подписанный разъем.
  
  Собираем преобразователь
  
  Чтобы подключить роутер к компу, необходимо сопрячь интерфейсы RS-232 с UARTом роутера. В принципе, можно подключить к USB, используя указанную выше микросхему FT232RL, – что я и сделал при первой проверке роутера. Но эта микросхема – в достаточно сложном для пайки корпусе, посему мы поговорим о более простых решениях. А именно – микросхеме MAX232. Если ты собираешься питаться от роутера, то там, скорее всего, будет 3,3 вольта, поэтому лучше использовать MAX3232, которая обычно стоит в КПК (схему распайки нетрудно найти в инете). Но в моем роутере присутствовало питание +5 вольт на входе, а указанных микросхем у меня великое множество, и я не стал заморачиваться. Для сборки нам потребуются конденсаторы 0,1 мкФ (4 штуки) и сама микросхема. Запаиваем все по традиционной схеме, и начинаем эксперименты.
  
  Исходники для сборки
  
  На выход я сразу повесил 9-пиновый разъем типа «папа», чтобы можно было легко подключить нуль-модемный кабель. Если ты помнишь, во времена DOSа такими кабелями делали сетку из двух компов и резались в «Дюкнюкем». Провод для наших целей собрать несложно. Правда, получится не полный нуль-модем и через него особо не поиграешь, но рулить точкой доступа будет самое то! Тебе понадобятся два 9-пиновых разъема типа «мама», корпуса к ним и провод, например, от старой мышки или клавы (главное, чтобы в нем было три провода). Сначала соединяем земли ¬- это пятый контакт разъемов; просто берем любой провод и с обоих сторон припаиваем к 5-му контакту. А вот с RX и TX надо поступить хитрее. С одного конца провода запаиваем на 3-й контакт, а с другого – на 2-й. Аналогично с третьим проводом, только с одного конца запаиваем на 2-й контакт, с другого – на 3-й. Суть в том, что TX должен передавать в RX. Прячем запаянные разъемы в корпус — и готов нуль-модемный кабель!
  
  Распаянные иголки на плате роутера.
  
  Для удобства монтажа в материнку роутера я впаял штырьковый разъем, а в монтажку с MAX232 – обратный разъем и вставил платку, как в слот. RX и TX роутера подбираются экспериментально.
  
  Собраная плата
  
  Теперь надо запитать микросхему преобразователя. Общий провод у нас присутствует уже прямо в разъеме на мамке роутера. А вот + 5 вольт находится прямо у входа питания роутера, в месте, где подключается адаптер. Точку нахождения 5 вольт определяем вольтметром, измеряя разные узлы относительно земли роутера.
  Подключаем питание. Включаем и начинаем наши злостные эксперименты.
  
  Прожигаем отверстие для вывода проводов
  
  Распаянный СОМ-порт
  
  Всё в сборе. Обратите внимание, что красный провод питания идёт к разъёму адаптера роутера. Узелок внутри сделан, для того чтобы рывком на оторвать припаянные провода.
  
  Настройка терминала
  
  Нам нужно настроить терминальную программу. В Винде все достаточно просто: запускаем Hyper Terminal, отключаем программную и аппаратную проверку данных, выставляем скорость 115200 и один стоповый бит. А вот в Линухе дело обстоит чуть хитрее. У меня Ubuntu, и рассказывать буду про нее. Для начала разберись, как в твоей сборке именуется СОМ-порт. В моем случае СОМ1 был ttyS0 (если использовать к примеру микросхему FT232, то он будет именоваться ttyUSB0). Для работы с ним я использовал софтинку minicom.
  
  Запускай ее с параметрами: minicom -l -8 -c on -s. Далее выбирай «Настройки последовательного порта»:
  Последовательный порт /dev/ttyS0
  
  * Скорость/четность/биты 115200 8N1
  * Аппаратное управление потоком — нет
  * Программное управление потоком — нет
  
  Сохраняем настройки. Софтина попробует проинициализировать модем — не обращай внимания. Чтобы вызвать меню, нажми <ctrl-a z>. Там можно менять настройки, например: включить/выключить эхо — Е.
  Настройка
  
  Я не рекомендую подключать микросхему преобразователя к роутеру, дабы проверить ее функционал. Допускается только брать с него питание. Проверка проходит очень просто — необходимо перемкнуть RX с TX. Сначала перемыкаешь в СОМ-порте 2-й и 3-й контакт — проверяешь настройки терминалки. Пишешь что-то на клаве: если символы возвращаются, значит, все ОК. Также проверяешь кабель, те же контакты. Потом подключаешь микросхему, и уже у нее на выходе ставишь перемычку. Я заостряю на этом внимание, потому что, например, у меня возникли проблемы, и ничего не работало, пока я все не проверил и не нашел ошибку.
  
  После всех настроек можешь смело цеплять к роутеру и искать RX-TX на роутере, периодически выдергивая из него питание. Если все сделано правильно, то при подаче питания ты увидишь лог загрузки роутера. Принимай поздравления, теперь у тебя полный аппаратный рут, так, будто ты сидишь за монитором с клавой роутера.
  
  Лог загрузки роутера в программе minicom
  
  Автономное плаванье
  
  Согласись, делать через терминальную программу то же самое, что удобнее сделать через SSH – не айс. Мне хотелось превратить роутер в автономный Linux-компьютер, со своей хитрой архитектурой. Для этого нужно, чтобы данные с клавиатуры передавались по UART, и по нему же выводились на монитор. Паять и разрабатывать устройство было лениво. Тогда-то и пришла идея заюзать для этих целей пылящийся без дела КПК. По сути, наладонник будет исполнять роль контроллера клавиатуры и дисплея, ну и служить сопряжением интерфейсов.
  
  Сначала я попробовал древнейший Palm m100. Но, видимо, у него очень маленькая буферная память, и от количества данных, которые идут с роутера, ему становилось плохо. Я взял другой — промышленный КПК, с нормальным СОМ-портом и терминалкой. Подключил, вставил в док и, в результате, получил небольшой линукс-компьютер. В принципе, вместо дорогущего промышленного КПК подойдет большинство наладонников, работающих под операционкой WinCE, главное – найти подходящий терминальный софт.
  
  Линукс компьютер 🙂
  
  Итоги
  
  Итак, я показал небольшой пример использования UART. Если ты вкуришь в этот протокол, то поверь, станешь просто повелителем различных железок. Есть он практически везде, и через него можно сопрягать, казалось бы, совершенно разные вещи. К примеру, к тому же роутеру при небольших настройках подключается мобильный телефон по юарту, – и раздает с него интернет. В общем, применений куча. Не бойся экспериментировать, самообразовываться и реализовать свои идеи.
  
  Этот пост является отредактированной для хабра версией моей статьи в Хакере № 05/09 «Главный инструмент фрикера».
  
  UART или последовательные интерфейсы
  
  За последние 50 лет было придумано множество разновидностей последовательных интерфейсов: SPI, I2C, I2S, RS-232, USB, Firewire, — мы поговорим о том, что такое UART в целом.
  
  Но для начала надо разобраться в чем разница между последовательными и параллельными интерфейсами. Слово «последовательный» означает, что данные передаются по одному проводу последовательно, бит за битом. А «параллельный» означает, что между устройствами есть шина из нескольких проводов, по которым части сообщения передаются одновременно.
  
  SyamilAshri at English Wikibooks [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], from Wikimedia Commons
  
  Преимущества параллельной передачи данных в том, что за один шаг передаётся сразу группа битов. К тому внутри процессора используются параллельная передача, поэтому данные сразу, можно сказать, передаются и принимаются в удобной форме. Но есть и недостатки. Главный заключается в том, что биты по проводам могут приходить не одновременно и требуются дополнительные ухищрения для получения неискаженных сообщений. Это сильно ограничивает максимальную скорость передачи. _{(прим. Тут ничего удивительного. В силу физических причин биты по разных проводам не могут приходить со 100% одновременностью.)}
  
  При последовательном способе передачи передаваемые биты должны быть преобразованы в параллельную форму и наоборот (в силу того, что внутри процессора быит передаются параллельно). Это преобразование требует времени. Но зато мы получаем огромное преимущество в виде отсутствия необходимости синхронизировать поступление битов по каждому проводу, что также расширяется скоростные возможности линии передачи.
  
  Universal Asynchronous Receiver/Transmitter или просто UART используется с ранних 1960-х и с тех пор претерпевал постоянные изменения. Несмотря на то, что постоянно производятся попытки уничтожить UART, последовательные протоколы этого типа всё ещё представляют важный способ общения между устройствами встраиваемых систем.
  
  UART представляет собой периферийное устройство в процессоре, с помощью которого осуществляется общение между устройствами по последовательному протоколу на небольшие расстояния. Кстати, UART является основой стандарта RS-232 (тот самый D-образный разъем с 9-ю пинами). В языке «С» вывод printf часто может передаваться напрямую через UART. Вообще порты работающие по UART чаще всего называются просто последовательными портами. В самой простой форме UART представляет собой три провода: земля, передача, приём.
  
  Первая проблема UART в том, что нет возможности определить какое устройство ведущее, а какое ведомое (master/slave), так что непонятно к чему цеплять transmit? Обычно, это определяют за нас. Например, кто-то, кто проектирует печатную плату может назвать этот провод как TX и определить, что устройство должно соединяться так, тогда система будет выглядеть следующим образом:
  
  В итоге получается вариант, когда процессор и принимает, и передаёт данные. Другой способ конфигурации выглядит вот так:
  
  Тогда получается вариант, где процессор всегда передаёт (TX) получателю (RX) и наоборот. Какой вариант правильный? Оказывается это решение принимает за нас производитель чипа и готовой платы/устройства. Я видел множество примеров использования обоих вариантов настолько часто, что без прочтения даташита невозможно было определить как именно следует производить конфигурацию устройств. Если бы я имел контроль над наименованием, то закрепил второй вариант, когда TX соединено с RX. На практике чаще всего TX, подсоединённый к TX, приводит к сгоранию чипов (тоже верно и для RX-RX), так что это хороший пример того, что надо читать документацию перед тем как соединять чипы по UART, так как существует несколько способов соединения.
  
  Когда отправитель и получатель располагаются на одной плате, тогда уровень напряжения сигнала при передаче соответствует уровню напряжения питания процессора. К примеру, «1» будет передаваться с напряжением 3.3В, а «0», грубо говоря, с 0В. Это неочень полезно тогда, когда требуется передать сигнал более, чем на несколько дюймов (1 дюйм = 2.54 см), так как начинают появляться искажения сигнала и увеличивается падение напряжения. В итоге, чем дальше расстояние, тем количество ошибок передачи растет и в итоге становится невозможно передать сообщение, так как оно поступает до невозможности искаженным.
  
  Для того, чтобы избежать подобной ситуации добавляют дополнительные чипы-буферы, усиливающие сигналы. После этого сигналы могут передаваться уже на метры без существенной потери информации. Однако, напряжения при передаче битов довольно странные: для передачи 1 используются -3В..-15В, а для передачи 0 — от +3В до +15В. Это те самые напряжения, которые используются в RS-232. Кстати, буферы в RS-232 также являются ограничителями тока, так что контакты разъёма можно замыкать между собой и он не выгорит.
  
  Начало и конец передачи данных
  
  By Rs232_oscilloscope_trace.jpg: Ktnbn derivative work: Samuel Tardieu (Rs232_oscilloscope_trace.jpg) [CC SA 1.0 (http://creativecommons.org/licenses/sa/1.0/)], via Wikimedia Common
  
  UART — это последовательный интерфейс (он посылает и принимает биты последовательно: бит за битом), но при этом он не передаёт информацию для синхронизации. Отправитель и получатель не синхронизированы. Таким образом взаимодействие отправителя и получателя является асинхронным. Вместо информации о синхронизации в UART используется «стартовый бит» для сигнализации о том, что мы собираемся передать сообщение. После передачи стартового бита передаётся сообщение, а затем передаётся «стоп-бит», указывающий о завершении процесса передачи сообщения. Суммарно получается 10 бит: 1 старт-бит, 8 бит данных, 1 стоп-бит.
  
  Биты передаются с заранее установленной скоростью передачи, которая измеряется в битах в секунду или, иначе, в бодах. Так что 9600 бод эквивалентно 9600 бит/сек. А так как у нас передаётся 10 бит за одно сообщение (старт-бит, данные, стоп-бит), это это значит, что мы можем передать 960 сообщений в секунду.
  
  Так как значение скорости передачи не передаётся вместе с сообщением, то и приёмник и получатель должны заранее установить одинаковое значение скорости передачи/приёма. Конечно, скорости на обеих системах не будут совпадать со 100% точностью (опять же в силу чисто технических причин, так как таймеры на разных системах имеют погрешности), но UART допускает до 5% рассинхронизации таймеров. В этих пределах мы будем получать и принимать верные сообщения.
  
  USARTS
  
  USART — это модификация UART. Расшифровывается как Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter. При этом добавляется дополнительных три провода: CLOCK, CLEAR TO SEND (CTS), READY TO SEND (RTS).
  
  С помощью такой добавки устраняется необходимость иметь на обоих устройствах точные часы (с рассинхроном не более 5%), а также необходимость и приемнику, и передатчику устанавливать одну и ту же скорость передачи данных. В USART сигнал от CLOCK используется для синхронизации двух устройств. Передающая сторона выдаёт прямоугольные импульсы с частотой, соответствующей скорости передачи данных. А принимающая использует эти импульсы, чтобы правильно принять данные.
  
  Clock-сигнал был довольно обычен несколько десятков лет назад, когда связь осуществлялась с помощью модемов. Этого сигнала, кстати, не было в 9-пиновом разъёме RS-232, которые появились на IBM PC в 1984г.
  
  USART также поддерживает ещё два контрольных сигнала: CTS, RTS. Они используются для контроля передачи данных. Например, у получателя может заполниться буфер, в который поступали данные, тогда он выставляет RTS, сообщая, что надо приостановить передачу и подождать пока появится место в буфере.
  
  RTS и CTS соединяются крест-накрест: RTS-CTS, CTS-RTS (показано на схеме выше). Таким образом, производится как бы «обмен рукопожатиями»: когда включен RTS получателя, выключается CTS отправителя и наоборот.
  
  Следует использовать USART вместо UART, так как это позволяет проводить обмен рукопожатиями и синхронизировать передачу. В коде это будет означать постоянную проверку CTS значений, либо генерацию прерывания CTS-пином.
  
  Кстати, для обратной совместимости USART может быть использован как простой UART с использованием только трёх проводников: RX, TX, Земля.
  
  Где используются UART и USART?
  
  Оба протокола используются в GPS модулях, flash-загрузчик в процессорах ATMEL, старой компьютерной периферии, а также в разнообразном промышленном оборудовании. В общем он все еще очень широко использхуется для обмена информацией между устройствами.
  
  GPS модули поддерживают стандарт NMEA 0183, в котором определена поддержка модулями UART. Конечно, на подходе новый стандарт NMEA 2000, в котором будет использоваться протокол CAN, но пока ещё превалирует использование UART.
  
  Несмотря на то, что ещё можно найти компьютеры с портами RS-232, эти порты уже не найти на ноутбуках и других малогабаритных устройствах. Для обмена информацией с промышленным оборудованием и, к примеру, процессорами ATMEL и устройствами на их основе, как например популярная ARDUINO, часто используются чипы для преобразования последовательного протокола в USB. Благодаря этому UART еще будет жив какое-то время.
  
  Это перевод. Автор оригинальной статьи — Andrei Chichak. Кстати, у них очень интересный блог. Рекомендую.
  Похожие публикации: