___________________________________________Chương 4 Truyền nối tiếp bất đồng bộ
IV - 1
☯ CHƯƠNG 4
TRUYỀN NỐI TIẾP BẤT ĐỒNG BỘ
♣ HỆ THỐNG TRUYỀN Dữ LIỆU
Vận hành
Dung lượng kênh truyền
♣ MẪU TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN BẤT ĐỒNG BỘ
♣ VÀI IC THỰC HIỆN GIAO THỨC BẤT ĐỒNG BỘ
6402 của INTERSIL
6850 của MOTOROLA
8251 của INTEL
__________________________________________________________________________________________
____
Như đã biết, trong các hệ thống truyền dữ liệu có hai cách đưa tín hiệu lên đường
truyền: nối tiếp và song song.
Cách truyền song song thường được truyền trên một khoảng cách ngắn, ví dụ giữa các
thiết bị trong cùng một phòng như từ máy tính sang máy in.
Cách truyền nối tiếp thường được thực hiện khi khoảng cách truyền khá xa.
Ngoài ra, trong cách truyền nối tiếp, dựa vào cách thực hiện sự đồng bộ giữa nơi phát
và thu ta có hai chế độ hoạt động: đồng bộ và bất đồng bộ.
Trong chế độ bất đồng bộ, xung đồng hồ được tạo ra một cách riêng rẻ ở máy phát và
máy thu dựa vào tần số danh định tương ứng với vận tốc truyền (bit rate hoặc baud rate).
Trong chế độ đồng bộ, nơi phát có thể gửi xung đồng hồ tới nơi thu theo một kênh
truyền song song với kênh truyền dữ liệu hoặc nơi thu tự tạo ra xung đồng hồ bằng cách tách
tín hiệu thời gian từ dòng dữ liệu.
Chương này bàn đến chế độ truyền nối tiếp bất đồng bộ. Chúng ta sẽ lần lượt giới
thiệu tính chất chung của hệ thống truyền dữ liệu, các giao thức của hệ thống truyền bất đồng
bộ. Chúng ta cũng sẽ khảo sát vài IC thực hiện chức năng biến đổi song song ↔ nối tiếp trong
các thiết bị thu phát .
4.1 HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU
4.1.1 Vận hành
Một mẫu hệ thống truyền dữ liệu gồm 3 bộ phận chính (H 4.1)
- Một cặp thiết bị xử lý tín hiệu (Terminal, vd máy tính), một của máy phát (chuyển
thông tin thành tín hiệu số) và một của máy thu (chuyển dữ liệu số thành thông tin).
- Một cặp giao diện nối tiếp, được gọi là thiết bị đầu cuối (Data Terminal Equipment,
DTE) mà nhiệm vụ chính là biến đổi chuỗi dữ liệu song song thành nối tiếp ở máy phát và nối
tiếp thành song song ở máy thu, đồng thời thực hiện một số chức năng khác theo yêu cầu của
người sử dụng.
- Một cặp giao diện truyền dữ liệu, được gọi là thiết bị truyền dữ liệu (Data
Communication Equipment, DCE), thực hiện sự giao tiếp giữa DTE và môi trường truyền.
_________________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
___________________________________________Chương 4 Truyền nối tiếp bất đồng bộ
IV - 2
⎯→
⏐
Máy tính hay
Terminal
phát
Bản tin
⎯→
Giao diện
nối tiếp
DTE
⎯→
Giao diện truyền
dữ liệu
DCE
⎯⎯
⏐
⏐
⏐Báo nhận
⏐
⏐
Kênh truyền ⏐
⏐
⏐
⎯⎯
Máy tính hay
Terminal
thu
Bản tin
←⎯
Giao diện
nối tiếp
DTE
←⎯
Giao diện truyền
dữ liệu
DCE
⏐
←⎯
(H 4.1)
Vận hành của hệ thống như sau : Máy tính gửi bản tin dưới dạng một chuỗi ký tự song
song tới DTE. Ở đây bản tin được chuyển sang dạng nối tiếp để phát đi từng bit ở từng thời
điểm . Đối với các hệ thống bất đồng bộ, thiết bị DTE sẽ thêm vào các bit Start và Stop ở mỗi
ký tự nối tiếp này và nếu có yêu cầu, bit kiểm tra chẵn lẻ cũng được thêm vào ở đây . Đây là
một dòng nối tiếp các tín hiệu nhị phân tương thích với các chuẩn về điện của EIA như RS-
232C (D), RS-422A hoặc 423A. DCE là bộ phận chuyển tín hiệu ra kênh truyền. Dạng chính
xác của DCE tùy thuộc vào kênh truyền, ví dụ, các DCE được dùng thúc đường dây hiện nay
là RS-422A hoặc 423A có thể thích hợp để truyền tín hiệu dải nền với khoảng cách tối đa là
1200m còn nếu dùng đường dây điện thoại để truyền thì DCE tương thích phải là các Modem.
Ở máy thu bộ phận giao tiếp biến đổi chuỗi ký tự nối tiếp thành song song được đọc
bởi máy tính hay thiết bị truyền tin đầu cuối khác.
Một bản tin báo nhận được phản hồi tới máy phát để báo nhận đồng thời báo lỗi, nếu
có lỗi bản tin sẽ được phát lại sau khi sửa lỗi. Trong trường hợp này máy thu đã trở thành máy
phát.
4.1.2 Dung lượng của kênh truyền
Khả năng và phẩm chất của một kênh truyền xác định bởi dung lượng của nó.
Nhắc lại, một tín hiệu tần số x , tín hiệu lấy mẫu phải có tần số tối thiểu là 2x, yêu cầu
một băng thông tối thiểu là x để truyền , nếu dùng n bit để mã hóa tín hiệu này thì vận tốc
truyền sẽ là 2nx, ta gọi C = 2nx là dung lượng của kênh truyền. Ví dụ, trong điện thoại tần
số tín hiệu là 2,7kHz nếu dùng 1 bit (n = 1) để mã hóa tín hiệu thì dung lượng kênh truyền C
= 5,4kbps, nếu dùng số 2 bit ( n = 2) thì C = 10,8kbps .....
Như vậy dung lượng của kênh truyền tỉ lệ với số bit dùng mã hóa tín hiệu và băng
thông của nó. Nhưng khi băng thông của kênh truyền càng lớn thì tính miễn nhiễu của hệ
thống càng kém nên để gia tăng dung lượng kênh truyền người ta thường tăng số bit dùng mã
hóa tín hiệu và dùng phương pháp điều chế đa pha.
4.2 Mẫu tín hiệu trong chế độ truyền bất đồng bộ
Trong chế độ truyền bất đồng bộ thông tin được truyền đi dưới dạng từng ký tự và
khoảng cách các ký tự là ngẫu nhiên. Tuy nhiên để tạo sự đồng bộ giữa máy phát và thu, giao
thức tầng 2 (Data link protocol) có qui định cụ thể về mẫu tín hiệu trong hệ thống truyền bất
đồng bộ như sau :
- Mỗi ký tự gồm một số bit gọi là ký tự dữ liệu, số này có thể là 5 đối với mã Baudot,
7 nếu là mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) và 8 nếu là mã
EBCDIC (Extended Binary-Coded Decimal Information Code, mã BCD mở rộng)
_________________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
___________________________________________Chương 4 Truyền nối tiếp bất đồng bộ
IV - 3
- Ngoài ra, để tạo sự đồng bộ, kèm theo các bit mã ký tự còn có các bit Start ở trước
mỗi ký tự và các bit Stop ở sau mỗi ký tự. . Các bit Start là các bit 0 và các bit Stop là bit 1.
Số bit Start luôn luôn là 1 bit còn số bit Stop có thể là 1, 1,5 hoặc 2 bit.
- Nếu có thêm bit kiểm soát chẵn lẻ (parity bit) thì bit này nằm trước bit Stop.
- Ở trạng thái nghỉ máy phát luôn phát đi bit 1 gọi là bit nghỉ (idle bit), như vậy máy
thu dò ra bit Start khi có sự biến đổi từ 1 xuống 0, sau đó là một chuỗi bit có số lượng theo qui
định của giao thức.
Lưu ý là trong truyền dữ liệu, bit LSB của ký tự luôn được truyền đi trước và có
hai cách viết (và đọc) một bản tin: theo chiều mũi tên hướng về bên phải và theo chiều hướng
về bên trái
- Viết theo chiều mũi tên hướng về bên phải : bit LSB của ký tự đầu tiên sẽ nằm bên
phải của bản tin. Thí dụ bản tin dùng mã ASCII gồm 3 ký tự ABC có mã lần lượt là 41H
(1000001), 42H (1000010) và 43H (1000011), bit LSB của ký tự đầu tiên (A) được phát đi
trước và phải nằm bên phải của bản tin nên chuỗi dữ liệu được phát đi có dạng:
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→
C B A
p1000011 p1000010 p1000001.
Với cách viết này, mỗi mẫu mã hóa của mỗi ký tự được giữ nguyên chiều của nó
nhưng thứ tự các ký tự trong bản tin đã bị đảo.
- Viết theo chiều mũi tên hướng về bên trái : bit LSB của ký tự đầu tiên sẽ nằm bên
trái của bản tin. Với thí dụ trên, bit LSB của ký tự đầu tiên (A) được phát đi trước và phải
nằm bên trái của bản tin nên chuỗi dữ liệu được phát đi có dạng:
←⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
A B C
1000001p 0100001p 1100001p.
Với cách viết này, thứ tự các ký tự trong bản tin được giữ nguyên nhưng các bit trong
mỗi ký tự đã bị đảo chiều.
Bit kiểm tra chẵn lẻ (parity bit), nếu có, sẽ được thêm vào sau mỗi ký tự (bit p trong
các thí dụ trên)
Ở máy phát thanh ghi dịch biến đổi tín hiệu song song thành nối tiếp, được điều khiển
bởi tín hiệu Load/Shift, các bit Start và Stop được tự động thêm vào khi mạch hoạt động .
Ở máy thu khi bộ phận dò phát hiện bit Start bởi sự thay đổi từ 1 xuống 0, sẽ tạo ra tín
hiệu điều khiển thanh ghi dịch, sau khi dịch đủ số bit qui định của tín hiệu kể cả bit parity và
bit Stop, ký tự dữ liệu được đọc ra dưới dạng song song từ thanh ghi dịch.
(H 4.2)
(H 4.2) mô tả dạng của tín hiệu trên đường truyền bất đồng bộ (tín hiệu là mẫu chữ C
với parity chẵn và một bit Stop) và bộ phận biến đổi song song ↔ nối tiếp trong máy phát và
thu. Bộ phận này chính là các thanh ghi dịch.
_________________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
___________________________________________Chương 4 Truyền nối tiếp bất đồng bộ
IV - 4
Sự đồng bộ ở các thanh ghi dịch phát và thu được tạo bởi xung đồng hồ ở máy phát và
xung đồng hồ ở máy thu. Dĩ nhiên các xung đồng hồ này phải có cùng tần số, đó là tần số
tương ứng với vận tốc truyền bit của hệ thống. Nếu xung đồng hồ ở nơi thu không phù hợp
với xung đồng hồ ở nơi phát, lỗi do độ lệch thời gian có thể xảy ra. Có hai loại lỗi : Lỗi khi
đọc bit và lỗi do sai khung. Lỗi do sai khung được tạo ra bởi sự tích lũy các độ lệch thời gian,
bit cuối cùng bị sai đưa tới sai khung.
(H 4.3)
(H 4.3) là một ví dụ, giả sử thời gian cho một bit là 0,1 s (T = 0,1s =100ms) và sự sai
lệch là 7% sớm hơn ở máy thu, như vậy máy thu đọc bit đầu tiên ở thời điểm 93 ms thay vì
100ms, bit thứ hai ở 186ms ..... cho đến thời điểm 744ms máy thu đang đọc bit thứ 7 nhưng
nhầm là bit thứ 8, như vậy bit cuối cùng của tín hiệu đã bị đọc sai, nếu bit thứ 8 là bit 1 thì
máy thu nhầm là bit Stop và kết quả là có sự sai khung.
Bit Stop là bit kiểm tra độ lệch thời gian tương đối chính xác, nếu máy phát hiện bit
Stop không phải là bit 1 thì sẽ báo lỗi khung ta nói bit Stop là khoảng bảo vệ tối thiểu giữa
các khung ký tự. Ngoài ra bit parity cũng giới hạn được sai sót này và các sai sót do nhiễu, tuy
nhiên phương pháp phát hiện lỗi này không đạt độ tin cậy 100% vì nếu số bit sai là số chẵn thì
máy thu không phát hiện được.
4.3 Vài IC thực hiện TRUYỀN nối tiếp bất đồng bộ
Trước đây việc thu phát bất đồng bộ được thiết kế dựa trên các IC loại SSI và MSI. Ví
dụ, để tạo và kiểm tra chẵn lẻ, người ta có thể dùng các cổng EX-OR .
Hiện nay sự phát triển của công nghệ chế tạo IC cho phép sử dụng các vi mạch LSI để
thực hiện các chức năng thu phát thỏa mãn giao thức truyền bất đồng bộ. Chúng ta giới thiệu
dưới đây vài IC thu phát bất đồng bộ (Universal Asynchronous Receiver,Transmitter, UART)
hoặc IC điều hợp giao tiếp thông tin bất đồng bộ (Asynchronous Communication Interface
Adapter, ACIA), đó là các IC :
- UART 6402 của Intersil
- ACIA 6850 của Motorola
- USART 8251A của Intel
4.3.1. UART 6402 của Intersil
4.3.1.1 - Tính năng kỹ thuật tổng quát
6402 là UART loại IC CMOS/LSI dùng để giao tiếp với máy tính hoặc µP qua kênh
dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ.
_________________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
___________________________________________Chương 4 Truyền nối tiếp bất đồng bộ
IV - 5
- Máy phát đổi dữ liệu song song thành nối tiếp và tự động thêm vào các bit Start và
Stop.
- Máy thu chuyển đổi các bit Start, ký tự dữ liệu, bit parity và bit Stop thành dữ liệu
song song, kiểm tra lỗi.
Chiều dài của các ký tự dữ liệu có thể là 5, 6, 7 hoặc 8 bit. Parity có thể là chẵn hay lẻ,
việc kiểm tra và tạo bit parity có thể bỏ qua, nếu không có yêu cầu. Có thể dùng 1, 1,5 hoặc 2
bit Stop.
4.3.1.2 - Mô hình (H 4.4)
(H 4.4)
- Ý nghĩa các chân của IC :
TRE : Transmit Reg. Empty : Ngã ra, báo thanh ghi phát trống.
TBRL : Trans. Buf. Reg. Load : Ngã vào, nạp dữ liệu vào thanh ghi đệm phát & phát
TBRE : Trans. Buf. Reg. Empty : Ngã ra, mức cao báo thanh ghi đệm phát trống, sẵn
sàng nhận dữ liệu
TBR7 - TBR0 : Trans. Buf. Reg. Data : Dữ liệu để nạp vào thanh ghi đệm phát
DR : Data Received : Ngã ra, lên cao báo đã thu được một ký tự dữ liệu
DRRST : Data Received Reset : Reset thanh ghi thu
ROE : Receive Buffer Output Enable : Cho phép thu tín hiệu từ thanh ghi đệm thu
RBR7 - RBR0 : Receive Buf.Reg. Data : Dữ liệu thu từ thanh ghi đệm thu
CRL : Control Reg. Load : Ngã vào, mức cao cho phép nạp từ điều khiển vào thanh
ghi điều khiển
CR4 - CR0 : Control Reg. Data : Tổ hợp 5 bit tạo thành một từ điều khiển
PE,FE,OVE : Parity, Framing, Overflow flags : Cờ báo lỗi chẵn lẻ, lỗi khung, lỗi tràn
SOE : Status O/P Enable : Cho phép ngã ra trạng thái
MRST : Master Reset : Đặt lại IC
RC,TC : Receive Clock, Trans. Clock : Xung đồng hồ Thu, Phát
_________________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu