Seriekommunikation Ur innehållet: Nätverkstopologier Nätverksprotokoll Asynkron/synkron seriell överföring Programmering av USART-krets Läsanvisningar: Arbetsbok kapitel 7 Seriekommunikation 1
Parallell överföring + god bandbredd - många ledare ger dyrare överföringsmedia mycket snabbt vid korta avstånd Seriekommunikation 2
Seriell överföring + få ledare ger enklare (billigare) överföringsmedia - sämre bandbredd överföringshastighet efter prestandakrav Seriekommunikation 3
Nätverkstopologi Strukturer för hur datorer kopplas i hop, ofta ser man kombinationer av de olika varianterna. Olika protokoll har utvecklats för olika strukturer, exvis: RS232 (punkt till punkt) Ethernet (mask, stjärna) Token ring (ring) USB (träd) CAN, LIN (buss) Seriekommunikation 4
Nätverksprotokoll Kommunikationsmedia Ett "kommunikationsprotokoll" är en uppsättning regler som tillsammans entydigt specificerar hur datautbytet (datakommunikationen) ska gå till. Protokollen baseras oftast på någon speciell nätverkstopologi och förutsätter någon speciell accessmetod. Med acessmetod (åtkomstmetod) menar man den policy som används när en nod behöver skicka data och därför måste använda kommunikationsmediat. De vanligaste är: Master/Slave CDMA, Collission Detect, Multiple Access CRMA, Collission Resolution, Multiple Access TDMA, Time Division, Multiple Access "token, ring-protokoll Seriekommunikation 5
Asynkron överföring, Startbitsdetektering Protokollet anger en ledig -nivå på kommunikationsledningen. Då nivån växlar tolkas detta som en startbit (t 0 ). Mottagaren läser därefter av ledningen ( samplar ) efter ett halvt bitintervall (t 1 ) och därefter ytterligare hela bitintervall (t 2,t 3,t 4 osv). Seriekommunikation 6
Klocksynkronisering Vid olika hastighet kommer en förskjutning av mottagarens sampling så småningom resultera i att fel bitintervall samplas... Genom att specificera maximalt antal bitar som skickas vid ett tillfälle, en ram, kan man också bestämma en största tillåten differens och därmed också acceptera skillnader hos sändares respektive mottagare klockor. Seriekommunikation 7
RS232, 9-bitars ram Exempel på hur en ram kan se ut Bitarnas betydelse definieras mera exakt av protokollet Exempelvis, RS232 : ASCII-tecknet z (= 01111010=0x7A, LSB först) överförs då på följande sätt Seriekommunikation 8
Synkron överföring Gemensam klocksignal och data EXEMPEL: Manchester kodning, bitlängden bestäms av positiva flanker, nivån i mitten av biten anger 0 eller 1. Metoden kallas RZ (Return to Zero) Kräver bara en ledning men minskar bandbredden. Seriekommunikation 9
Synkron överföring Klocksignal och data på skilda ledningar Kräver två ledningar men ökar bandbredden. Används för enklare tillämpningar, industristandarder: SPI (Serial Peripheral Interface) I 2 C använder denna teknik. Seriekommunikation 10
USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter Fysiskt gränssnitt (transceiver) RS232 (PtoP, duplex) LIN (asynkron buss) USART IR(trådlöst) Smartcard (synkron buss) Seriekommunikation 11
USART programmerarens bild, som en struct... Registeruppsättning typedef struct tag_usart { volatile unsigned short sr; volatile unsigned short Unused0; volatile unsigned short dr; volatile unsigned short Unused1; volatile unsigned short brr; volatile unsigned short Unused2; volatile unsigned short cr1; volatile unsigned short Unused3; volatile unsigned short cr2; volatile unsigned short Unused4; volatile unsigned short cr3; volatile unsigned short Unused5; volatile unsigned short gtpr; } USART; #define USART1 ((USART *) 0x40011000) Seriekommunikation 12
USART RS232 Ofta kommuniceras UTF8 (ASCII-) tecknen "Terminal"- konsollfönster Det finns 8 olika seriekretsar... Fysiskt gränssnitt (transceiver) Terminal Programmerarens bild USART RS232 Seriekommunikation 13
EXEMPEL: Enkla in- och utmatningsrutiner med USART Skapa funktioner: _outchar(char c) som matar ut 'c' till en terminal. char _tstchar(void) som kontrollerar om något tecken anlänt från terminalen, i så fall returnerar detta, annars returneras 0. char _inchar(void) som väntar tills något tecken anlänt från terminalen, och returnerar detta. Vi löser på tavlan... Seriekommunikation 14
UART Status och dataregister OUTCHAR(c): // Vänta tills TXE är 1 // Skriv 'c' till dataregistret TSTCHAR: réturnera c // Är RXNE=1? // Nej, c = 0 // Ja, läs c från dataregistret // Returnera c Bit 7: TXE: Transmit dataregister empty Denna bit sätts av hårdvara när innehållet av TDR registret har överförts till skiftregistret. Ett avbrott genereras om TXEIE bit = 1 i registret USART_CR1. Det återställs vid skrivning till USART_DR registret. 0: Dataregistrets sändardel är upptaget med en överföring. 1: Dataregistrets sändardel är klar att användas. Bit 5 RXNE: Receive data register not empty Denna bit sätts då innehållet i skiftregister RDR har överförts till USART_DR, dvs. ett nytt tecken har kommit. Ett avbrott genereras om RXNEIE = 1 i USART_CR1. Biten nollställs igen vid en läsning från USART_DR. Biten kan också återställas genom att skriva en nolla till den. 0: Inget nytt innehåll i USART_DR sedan senaste läsningen 1: Nytt innehåll finns i USART_DR. Seriekommunikation 15
UART feldetektering Bit 3 ORE: Overrun Error Denna bit sätts av hårdvaran om ett nytt tecken anländer samtidigt som det finns ett oläst tecken i dataregistret ("overrun error"). Ett avbrott genereras om RXNEIE = 1 i USART_CR1. Det återställs av en läsning från USART_SR följt av en läsning från USART_DR. 0: Inget förlorat tecken 1: Mottaget tecken är överskrivet (förlorat) Bit 1 FE: Framing Error Denna bit sätts av hårdvara när ett ramfel, oftast orsakat av förlorad synkronisering, upptäckts. Biten återställs av en läsning från USART_SR följt av en läsning från USART_DR. 0: Inget ramfel upptäcks 1: Ramfel eller BREAK-ram detekterad Bit 2 NF: Noise detection Flag Denna bit sätts av hårdvara när störningar i form av brus upptäcks i en mottagen ram. Biten återställs av en läsning från USART_SR följt av en läsning från USART_DR. 0: Ingen störning detekterad 1: Störning detekterad Bit 0 PE: Parity Error Denna bit sätts av hårdvara när ett paritetsfel uppträder hos mottagaren. Biten återställs av en läsning från USART_SR följt av en läsning från USART_DR. Programmet måste vänta på att RXNE-biten ettställts innan PE-biten återställs. Ett avbrott genereras om PEIE = 1 i USART_CR1. 0: Inget paritetsfel 1: Paritetsfel Seriekommunikation 16
Protokoll i fordonstillämpningar Mirror Lock Lock Window lift Power Train Instruments Seat Heating Heating Infotainment systems Central body control Climate Roof Heating Trunk Steering wheel panel Very high performance High performance Medium performance Lock Lock Seat Mirror Mirror Heating Lock Seat Seat Universal motor Universal panel Interior lights Low end performance Seriekommunikation 17
LIN, 1998 LIN Local Interconnection network ursprungligen: VOLCANO Lite Partners: Freescale, VOLVO CAR, BMW, AUDI, Volkswagen, Daimler-Chrysler Mentor Graphics (tidigare: Volcano Communication Technology) Syfte: Låg kostnad, mindre prestanda och säkerhetskrav, flexibel systemarkitektur Seriekommunikation 18
LIN, typiska tillämpningar Roof: (high amount of wiring) Rain Sensor, Light Sensor, Light Control, Sun Roof (Rain Sensor needs to be interrogated every 10-20ms) Door/window/seat: Mirror,Central ECU, Mirror, Switch, Window Lift, Seat Control Switch, Door Lock, etc. Steering Wheel: (very many controls are going to be positioned on the steering wheel) Climate: many Small Motors Control Panel Cruise Control, Wiper, Turning Light, Optional: Climate Control, Radio, Telephone, etc. Seat: many Seat Position Motors, Occupancy Sensor, Control Panel Seriekommunikation 19
LIN, kommunikation (master/slave) master control unit polling master task slave task slave control unit slave task slave control unit slave task inter-frame spacing synch Identifier field next synch field Master Task Response spacing 2 byte 1 byte data block parity time Slave Task time Seriekommunikation 20
CAN, Controller Area Network Bus topology CSMA/CR (Carrier sense, Multiple Access/ Collision Resolution) Error detection capabilities Supports atomic broadcast 0-64 bytes of data per frame Twisted pair Maximum 1 Mbit/s ARB CTRL DATA CRC ACK EOF Arbitration (identifier) Control information 0-8 bytes Checksum Acknowledge End of frame MESSAGE FRAME SOF ARB CTRL DATA CRC ACK EOF Seriekommunikation 21
CAN, detektering av busskrock Idle bus (recessive level) Bus transceivers Open collector Bus level: Recessive (bit) 1 Dominant (bit) 0 Bus level +5V R 1 1 NodeA Node B Seriekommunikation 22
CAN, detektering av busskrock Two nodes transmitting same level (1) transmit 1 transmit 1 receive 1 Bus level +5V I R = 0 receive 1 1 1 1 I A = 0 Node A 1 1 Node B 1 I B = 0 Seriekommunikation 23
CAN, detektering av busskrock transmit 0 receive 0 +5V R Bus level: 0V I R =I A transmit 1 receive 0 Node A Node B 0 0 0 1 1 0 1 1 I A I B =0 Node B aborts transmission since the received bit differs from the transmitted bit Seriekommunikation 24
CAN, arbitrering Arbitration field (identifier with priority) Nodes own specific message identifiers. EXAMPLE: Three nodes start simultaneously Node A transmits: $257 (0010 0101 0111) Node B transmits: $360 (0011 0110 0000) Node C transmits: $25F (0010 0101 1111) Bit number SOF 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Bus level D D D R D D R D R D R R R R Node A 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 Node B 0 0 0 1 1 Aborts Node C 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 Aborts Seriekommunikation 25