Последовательные интерфейсы играют ключевую роль в развитии вычислительной техники. Их эволюция неразрывно связана с прогрессом в области передачи данных. Давайте проследим путь от первых последовательных портов до современных высокоскоростных шин и наметим возможные направления дальнейшего развития.
История создания последовательных интерфейсов
Первые последовательные порты появились в компьютерах в 1960-1970-х годах для связи с терминалами и периферийными устройствами. Их основой стал UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) - универсальный асинхронный приемопередатчик, преобразующий параллельный код в последовательный и обратно. Популярность последовательных портов объяснялась простотой реализации по сравнению с параллельными шинами.
В 1969 году был принят стандарт RS-232 (Recommended Standard 232), регламентирующий электрические сигналы и характеристики асинхронного последовательного порта. Он определил контакты разъемов DB-25 и DB-9, уровни напряжения, назначение управляющих сигналов. Этот стандарт стал основой для реализации последовательных портов в персональных компьютерах.
Некоторые биты регистров UART допускают только чтение. Запись может привести к сбою протокола. Например, биты регистра IER отвечают за разрешение прерываний от разных источников.
В популярных IBM PC-совместимых компьютерах использовалась микросхема UART 8250, позже замененная на 16450 с более высокими скоростями передачи. Порты обозначались COM1, COM2 и т.д. в порядке обнаружения. Драйвер COM.SYS поддерживал до 4 портов. В операционных системах DOS и Windows к портам обращались как к файлам.
В компьютерах на базе процессоров x86 последовательный порт управляется программно через вызовы системных функций и запись/чтение в специальные регистры порта. Основные регистры UART:
- DLL - делитель частоты
- IER - разрешение прерываний
- FCR - управление FIFO
- LCR - управление линией
- MCR - управление модемом
Регистры LSR, MSR и SCR отражают текущее состояние порта. Программирование регистров позволяет гибко настраивать параметры последовательной передачи данных.
В операционных системах семейства Unix последовательные порты также представлены в виде файлов устройств /dev/ttyS0, /dev/ttyS1 и т.д. Чтение и запись в эти файлы осуществляет передачу данных через порт. Существуют системные вызовы для управления параметрами порта, такими как скорость передачи.
Технические характеристики последовательных интерфейсов
Последовательная передача данных основана на посылке информации последовательно бит за битом в отличие от параллельной, где несколько бит передаются одновременно по разным линиям. Это позволяет упростить реализацию, но требует более высокой скорости передачи для достижения пропускной способности параллельных шин.
Скорость последовательного порта измеряется в бодах (бит/с) и типично составляет от 110 до 115200 бод. Для сравнения, скорость параллельного порта Centronics - около 1 Мбайт/с. Но благодаря простоте реализации последовательные порты могут работать и на более высоких скоростях вплоть до GHz.
Для физической передачи данных через последовательный порт используются разъемы DB-9, DB-25 или круглые 8-контактные разъемы. Популярны два типа кабелей:
- Кабель "modem" для подключения к внешним устройствам
- "Null-modem" кабель для соединения двух компьютеров
В кабеле задействованы линии передачи данных TXD/RXD, а также сигналы управления потоком CTS/RTS. Сигнальные линии позволяют аппаратно контролировать процесс передачи данных.
| Сигнал | Назначение |
| TXD | Передача данных |
| RXD | Прием данных |
| RTS | Запрос на передачу |
| CTS | Готовность к передаче |
Для буферизации данных и предотвращения переполнения используются аппаратные FIFO-буферы, а также протоколы управления потоком данных на основе сигналов RTS/CTS или XON/XOFF.
По сравнению с параллельными шинами последовательные интерфейсы проигрывают в скорости, но выигрывают в простоте и стоимости реализации. По мере роста скоростей передачи данных последовательные шины становятся конкурентоспособной альтернативой для связи устройств даже на небольших расстояниях.
Применение последовательных интерфейсов
Последовательные порты широко использовались для подключения периферийных устройств к компьютерам, таких как модемы, принтеры, сканеры. Это позволяло упростить соединение по сравнению с громоздкими параллельными кабелями.
С помощью стандарта RS-232 можно было объединить компьютеры в локальную сеть или подключить удаленный терминал по телефонной линии через модем. Также последовательный порт использовался для загрузки программ с магнитофона.
Во встраиваемых и мобильных системах для связи между компонентами применяются последовательные шины SPI, I2C, UNI/O. Они позволяют передавать данные на небольшие расстояния с невысокой скоростью, но просты в реализации и требуют мало выводов микросхем.
Роль в компьютерных сетях
Последовательные интерфейсы сыграли важную роль в развитии компьютерных сетей и телекоммуникаций. Сети Token Ring, ARCNET и прочие использовали последовательную передачу данных на физическом уровне. Протокол PPP позволял передавать IP-пакеты по телефонным линиям через последовательное соединение.
Современные интерфейсы Ethernet, USB, FireWire, Thunderbolt основаны на последовательной передаче, хотя и работают на очень высоких скоростях благодаря технологиям кодирования и выравнивания тактовой частоты.
В встраиваемых системах
Последовательные интерфейсы UART, SPI, I2C широко применяются во встраиваемых системах для связи микроконтроллера с датчиками, исполнительными устройствами, экранами и другими элементами. Простота реализации, малое число выводов, низкая стоимость делают их незаменимыми во многих приложениях.
В современных компьютерах
Хотя последовательный порт уступил место USB и беспроводным интерфейсам в PCs, он все еще используется для связи с оборудованием через протокол RS-232: источниками бесперебойного питания, программаторами, кассовыми аппаратами, системами безопасности.
Перспективы развития последовательных интерфейсов
Скорости последовательной передачи данных неуклонно растут благодаря усовершенствованию методов кодирования и выравнивания тактовой частоты. Технологии такие как SerDes позволяют достигать скоростей в десятки гигабит в секунду.
Последовательные шины имеют потенциал полностью заменить параллельные интерфейсы в вычислительной технике. Уже сейчас последовательный протокол PCI Express вытесняет классическую параллельную шину PCI.
Ожидается появление новых беспроводных стандартов передачи данных, основанных на высокоскоростных последовательных соединениях. Например, технологии Li-Fi достигают скоростей до 224 Гбит/с, используя видимый свет для передачи.
Можно предположить, что в будущем последовательные интерфейсы полностью вытеснят параллельные шины и станут основой для объединения разнородных вычислительных устройств в единую сеть передачи данных.
