RS-232

Trasmissione dei dati

Su una linea seriale, i bit sono emessi come variazioni di tensione tra i due livelli logici 0 e 1, uno dopo l' altro.

Abbiamo detto che un a trasmissione  asincrona non dispone di una linea separata per il clock, come invece esiste in SPI o I²C.
Come può, allora, il ricevitore riconoscere il bit trasmesso?

La chiave di comprensione della trasmissione asincrona è questa:

ogni impulso ha una durata ben precisa

che dipende dal clock del trasmettitore e il tempo t di durata è pari a un periodo del clock utilizzato. 

Dunque, possiamo dire che, nella trasmissione asincrona (ASYNC) non esiste un clock separato di riferimento, ma sono gli impulsi del segnale stesso ad avere attribuita una durata ben determinata.

Questo rende il sistema molto semplice ed economico, ma richiede, come vedremo subito sotto,  che trasmettitore e ricevitore operino alla stessa frequenza, la cui precisione deve essere tale da impedire fenomeni di de sincronizzazione (frame error, overrun error). Se trasmettitore e ricevitore utilizzano lo steso identico valore di clock e il ricevitore ha un modo di sincronizzarsi con il segnale del trasmettitore, ecco che il problema del clock separato è superato e la comunicazione richiede almeno un conduttore in meno.

Per risolvere il problema della sincronizzazione, il tipico pacchetto dati della RS-232 è composto da:

• un bit di start
• un byte dati
• un bit di stop

Questo vuol dire che, per ogni byte di dati trasmesso saranno effettivamente emessi di 10 bit.

Così, la trasmissione del byte 01000001_bin (41_hex, carattere ASCII 'A') corrisponderà al seguente grafico:

• La linea si trova normalmente nello stato di attesa o idle a livello alto (1 logico).
   
• La prima transizione da alto a basso indica l’inizio e prende il nome di bit di Start ed ha la durata di un tempo t. Questo bit iniziale ha lo scopo di effettuare la sincronizzazione tra il clock del trasmettitore e quello del ricevitore; questo si avvia in corrispondenza del riconoscimento della prima transizione sulla linea dati.
   
• A questo fa subito seguito il pacchetto dei dati, emessi a partire dal bit meno significativo (LSB), tutti della stessa durata t, fino al bit più significativo (MSB). Da notare, quindi, che il diagramma relativo ai dati va letto "al contrario", da destra a sinistra, per ricostruire il valore del byte.
  Questo non è per nulla problematico per i dispostivi di trasmissione e ricezione, che fanno uso di registri di spostamento (shift register) e quindi automatizzano il passaggio del dato da parallelo a seriale e viceversa.
   
• Il pacchetto è chiuso da un bit di Stop, la cui durata è analoga a quella degli altri impulsi, ma che può essere prolungato, se necessario. Lo scopo di questo bit è quello di completare la sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore e finalizzare la chiusura del pacchetto trasmesso, a cui può seguirne immediatamente un' altro, con la medesima struttura.

Per quanto riguarda il tempo, ad esempio, con un clock di 4800 Hz, t sarà di 208,33 us e quindi la  trasmissione sarà 208,33 x 10 = 2083,3 us.  Se lo Stop, che può avere una lunghezza maggiore multipla di t, ha la durata, ad esempio, di due bit, la trasmissione del pacchetto richiederà 2291,63 us.

Questo se si considera la lunghezza del dato pari a 8 bit, che è un codice ASCII esteso. Se si trasferisce un codice standard ASCII (da 0 a 127), 7 bit di dati sono sufficienti, con un risparmio di tempo.  Sono comunque possibili trasmissioni di dati con lunghezza diversa. 
Così, anche se comunemente i messaggi comprendono caratteri ASCII o byte esadecimali a 8 bit, molti moduli o componenti previsti per gestire la comunicazione seriale (UART/USART) supportano anche comunicazioni con un diverso numero di bit, nel range da 5 a 9. 
Ad esempio, li codice baudot, tipico delle vecchie teletype, utilizza 5 bit per rappresentare un carattere, mentre è possibile realizzare sistemi "multi-drop", ovvero un "bus" su cui sono connessi più dispositivi e in cui si impiega una codifica a 9 bit per indicare se il dato trasmesso è l' indirizzo di una delle unità collegate.
Ovviamente non esistono limiti per l' uso di altri codici, come il codice Murray o EBCDIC o anche dati binari qualsiasi.

Va osservato che allo standard, che è relativo alla struttura della trasmissione, possono essere sovrapposti protocolli diversi, ad esempio includendo nei messaggi dei pacchetti di checksum o altre tecniche di sicurezza o organizzando i pacchetti di dati in modo particolare a seconda delle esigenze della comunicazione.

In ogni caso, la lunghezza del pacchetto trasmesso è data da:

dove il bit di parità è opzionale e lo Stop può avere una durata di 1t, 1/2t o 2t.

Quindi, un dato a 7 bit, senza parità, comporterà la trasmissione di 9 bit (7 dati + start + stop).
Se il dato è a 8 bit, con parità e con stop prolungato comporterà l' emissione di 12 bit (8 dati + start + 2 bit di stop + bit di parità).

Ricezione dei dati

Una linea RS-232 è prevista a livello '1' in condizioni di riposo. 
Questo fa si che il bit di Start che avvia la comunicazione sia un impulso a livello '0' della durata t. 

Il ricevitore rileva il fronte di discesa del segnale e, a partire da questo, si predispone per la ricezione, avviando il proprio sistema di clock e i contatori interni.

Sostanzialmente, a partire dal fronte di discesa del bit di Start, viene attivata una attesa pari a 1/2 t, dopo di che il ricevitore campiona lo stato della linea ad una cadenza di tempo pari a t, il che fa cadere il campionamento al centro di ogni impulso (dato che i due clock sono uguali). 
Vari dispositivi effettuano più di un campionamento per bit in modo da neutralizzare eventuali disturbi sulla linea.

Inoltre, molto importante, il campionamento è effettuato per il numero di impulsi previsti dal formato del pacchetto trasmesso e si conclude con lo Stop, dove la linea ritorna a livello alto per almeno un tempo t (1 Stop bit) o più.  E' quindi evidente che trasmettitore e ricevitore debbano essere impostati sia per la stessa frequenza che per lo stesso formato del pacchetto. 
In caso contrario il ricevitore effettuerà campionamenti in punti errati, o per un numero diverso di passi, rendendo impossibile il riconoscimento del dato.

A questo riguardo solitamente i dispositivi di ricezione sono in grado di elaborare le situazioni di errore con alcuni segnali di errore:

• overrun error: la velocità di trasmissione ha un clock maggiore da quello del ricevitore
• framing error: non viene rilevato correttamente il rapporto tra il bit di Start e quello di Stop, ad esempio per una impostazione errata della lunghezza del pacchetto o della frequenza dei clock
• parity error: se è impostata una parità, questa non risulta rispettata

Sta al software di gestione del dispositivo attuare le misure necessarie in questi casi.

E' evidente che il sistema asincrono, se ha il vantaggio di escludere la necessità di una linea di clock separato, richiede che la frequenza di trasmissione e quella del campionamento in ricezione siano per quanto possibile identiche. 
Il massimo errore ammissibile è quindi, teoricamente, molto minore della durata di mezzo bit e va tenuto conto della possibile deformazione dei fronti d'onda delle commutazioni dovuti alle capacità/induttanze parassite del cavo di connessione e, per le trasmissioni remote, dai problemi e disturbi di linea. 
Pertanto il consiglio è di utilizzare clock con una adeguata precisione e stabilità nel tempo e con le variazioni della temperatura (1-2% o migliore), cosa che si ottiene con oscillatori a quarzo. 

Inoltre va tenuto presente che, quanto è maggiore la frequenza di trasmissione, tanto minore sarà la durata degli impulsi e quindi sarà critica la loro temporizzazione.

Da quanto detto, si evidenzia che:  è impossibilità di sospendere la trasmissione di un pacchetto di dati in una trasmissione asincrona prima della suo termine. Ed è pure impossibile prolungare un bit oltre il tempo t.  In queste circostanze il contenuto del pacchetto andrebbe perduto in quanto il ricevitore continuerà a campionare il segnale in arrivo per il numero degli impulsi previsti ed alla cadenza t, originando la ricezione di un dato errato.  Quindi, quanto permesso in trasmissioni sincrone (I2C, SPI), cioè uno stretch del clock o al limite, anche la sospensione indeterminata della trasmissione, non sono assolutamente possibili in RS232. Ne deriva che l' uso di UART/USART (che si occupa autonomamente di gestire i tempi) è la via più pratica per implementare la comunicazione, mentre in un bit-banging (emulazione software) si dovrà avere cura di rispettare con assoluta precisione i tempi degli impulsi e impedire l' interruzione della trasmissione da parte di altri processi.