Tutorial de puertos serie y UART

La transmisión serie síncrona requiere que el emisor y el receptor compartan un reloj, o que el emisor proporcione una señal de strobe u otra señal de temporización para que el receptor sepa cuándo "leer" el siguiente bit de los datos. En la mayoría de las formas de comunicación serie síncrona, si en un instante dado no hay datos disponibles para transmitir, debe enviarse en su lugar un carácter de relleno para que siempre se estén transmitiendo datos. La comunicación síncrona suele ser más eficiente porque solo se transmiten bits de datos entre el emisor y el receptor, aunque puede resultar más costosa si se necesitan cableado y circuitos adicionales para compartir una señal de reloj entre ambos.

Se utiliza una forma de transmisión síncrona con las impresoras y los dispositivos de disco fijo, en la que los datos se envían por un conjunto de hilos mientras que un reloj o strobe se envía por un hilo distinto. Las impresoras y los dispositivos de disco fijo normalmente no son dispositivos serie, ya que la mayoría de los estándares de interfaz de disco fijo envían una palabra de datos completa por cada señal de reloj o strobe, utilizando un hilo independiente para cada bit de la palabra. En la industria del PC, estos se conocen como dispositivos paralelos.

El hardware de comunicaciones serie estándar del PC no admite operaciones síncronas. Este modo se describe aquí únicamente con fines comparativos.

La transmisión asíncrona permite transmitir datos sin que el emisor tenga que enviar una señal de reloj al receptor. En su lugar, el emisor y el receptor deben acordar de antemano los parámetros de temporización, y se añaden a cada palabra unos bits especiales que sirven para sincronizar las unidades emisora y receptora.

Cuando se entrega una palabra a la UART para transmisiones asíncronas, se añade al principio de cada palabra que se va a transmitir un bit llamado "Bit de inicio" (Start Bit). El Bit de inicio sirve para avisar al receptor de que está a punto de enviarse una palabra de datos, y para forzar la sincronización del reloj del receptor con el del transmisor. Estos dos relojes deben ser lo bastante precisos como para que la frecuencia no se desvíe más de un 10% durante la transmisión de los bits restantes de la palabra. (Este requisito se estableció en la época de los teleimpresores mecánicos y los equipos electrónicos modernos lo cumplen con facilidad.)

Tras el Bit de inicio, se envían los bits individuales de la palabra de datos, empezando por el bit menos significativo (LSB). Cada bit de la transmisión se transmite exactamente durante el mismo tiempo que todos los demás, y el receptor "mira" el hilo aproximadamente a la mitad del periodo asignado a cada bit para determinar si el bit es un 1 o un 0. Por ejemplo, si se tarda dos segundos en enviar cada bit, el receptor examinará la señal para determinar si es un 1 o un 0 una vez transcurrido un segundo, luego esperará dos segundos y examinará el valor del siguiente bit, y así sucesivamente.

El emisor no sabe cuándo el receptor ha "mirado" el valor del bit. El emisor solo sabe cuándo el reloj indica que debe comenzar a transmitir el siguiente bit de la palabra.

Cuando se ha enviado la palabra de datos completa, el transmisor puede añadir un Bit de paridad que genera el propio transmisor. El receptor puede utilizar el Bit de paridad para realizar una comprobación de errores sencilla. A continuación, el transmisor envía al menos un Bit de parada (Stop Bit).

Cuando el receptor ha recibido todos los bits de la palabra de datos, puede comprobar los Bits de paridad (el emisor y el receptor deben acordar si se va a utilizar un Bit de paridad) y, a continuación, busca un Bit de parada. Si el Bit de parada no aparece cuando debería, la UART considera que toda la palabra está corrupta e informará de un Error de trama (Framing Error) al procesador de la máquina cuando se lea la palabra de datos. La causa habitual de un Error de trama es que los relojes del emisor y del receptor no funcionaban a la misma velocidad, o que la señal se interrumpió.

Con independencia de que los datos se hayan recibido correctamente o no, la UART descarta automáticamente los bits de inicio, paridad y parada. Si el emisor y el receptor están configurados de forma idéntica, estos bits no se pasan a la máquina.

Si hay otra palabra lista para su transmisión, el Bit de inicio de la nueva palabra puede enviarse en cuanto se haya enviado el Bit de parada de la palabra anterior.

Dado que los datos asíncronos son "autosincronizados", si no hay datos que transmitir, la línea de transmisión puede permanecer inactiva.

Además de la tarea básica de convertir los datos de paralelo a serie para la transmisión y de serie a paralelo en la recepción, una UART normalmente proporciona circuitos adicionales para señales que pueden utilizarse para indicar el estado del medio de transmisión y para regular el flujo de datos en caso de que el dispositivo remoto no esté preparado para aceptar más datos. Por ejemplo, cuando el dispositivo conectado a la UART es un módem, este puede informar de la presencia de una portadora en la línea telefónica, mientras que el ordenador puede indicar al módem que se reinicie o que no atienda llamadas elevando o bajando una o más de estas señales adicionales. La función de cada una de estas señales adicionales está definida en el estándar EIA RS232-C.

En la mayoría de los sistemas informáticos, la UART está conectada a circuitos que generan señales conformes con la especificación EIA RS232-C. También existe un estándar CCITT llamado V.24 que reproduce las especificaciones incluidas en RS232-C.

El baudio es una medida de la velocidad de transmisión en la comunicación asíncrona. Debido a los avances en la tecnología de comunicación de los módems, este término se utiliza con frecuencia de forma incorrecta al describir las velocidades de datos de los dispositivos más recientes.

Tradicionalmente, una velocidad en baudios representa el número de bits que se envían realmente por el medio, no la cantidad de datos que se mueven realmente de un dispositivo DTE a otro. El recuento de baudios incluye los bits adicionales de inicio, parada y paridad que genera la UART emisora y que elimina la UART receptora. Esto significa que las palabras de datos de siete bits en realidad necesitan 10 bits para transmitirse por completo. Por lo tanto, un módem capaz de mover 300 bits por segundo de un lugar a otro normalmente solo puede mover 30 palabras de 7 bits si se utiliza paridad y hay un bit de inicio y uno de parada.

Si se utilizan palabras de datos de 8 bits y también bits de paridad, la velocidad de datos cae a 27,27 palabras por segundo, porque ahora se necesitan 11 bits para enviar las palabras de ocho bits, y el módem sigue enviando solo 300 bits por segundo.

La fórmula para convertir bytes por segundo en una velocidad en baudios y viceversa era sencilla hasta que aparecieron los módems con corrección de errores. Estos módems reciben el flujo serie de bits de la UART del ordenador (incluso cuando se utilizan módems internos los datos suelen seguir serializándose) y vuelven a convertir los bits en bytes. A continuación, estos bytes se combinan en paquetes y se envían por la línea telefónica mediante un método de transmisión síncrona. Esto significa que los bits de parada, inicio y paridad añadidos por la UART en el DTE (el ordenador) fueron eliminados por el módem antes de la transmisión por parte del módem emisor. Cuando estos bytes son recibidos por el módem remoto, este añade bits de inicio, parada y paridad a las palabras, las convierte a formato serie y las envía a la UART receptora del ordenador remoto, que a continuación elimina los bits de inicio, parada y paridad.

La razón de todas estas conversiones adicionales es que los dos módems puedan realizar corrección de errores, lo que significa que el módem receptor puede pedir al módem emisor que reenvíe un bloque de datos que no se recibió con la suma de comprobación correcta. Esta comprobación la gestionan los módems, y los dispositivos DTE normalmente no son conscientes de que se está produciendo este proceso.

Al eliminar los bits de inicio, parada y paridad, los bits adicionales de datos que los dos módems deben compartir entre sí para realizar la corrección de errores quedan en su mayor parte ocultos a la velocidad de transmisión efectiva que ven los equipos DTE emisor y receptor. Por ejemplo, si un módem envía diez palabras de 7 bits a otro módem sin incluir los bits de inicio, parada y paridad, el módem emisor podrá añadir 30 bits de información propia que el módem receptor puede utilizar para realizar la corrección de errores sin afectar a la velocidad de transmisión de los datos reales.

El uso del término baudio se complica aún más con los módems que realizan compresión. Una única palabra de 8 bits transmitida por la línea telefónica puede representar una docena de palabras que se transmitieron al módem emisor. El módem receptor expandirá los datos a su contenido original y pasará esos datos al DTE receptor.

Los módems modernos también incluyen búferes que permiten que la velocidad a la que los bits se mueven por la línea telefónica (de DCE a DCE) sea distinta de la velocidad a la que los bits se mueven entre el DTE y el DCE en ambos extremos de la conversación. Normalmente la velocidad entre el DTE y el DCE es mayor que la velocidad de DCE a DCE debido al uso de compresión por parte de los módems.

Dado que el número de bits necesarios para describir un byte varía durante el trayecto entre las dos máquinas, además de las diferentes velocidades en bits por segundo presentes en los enlaces DTE-DCE y DCE-DCE, el uso del término baudio para describir la velocidad global de comunicación causa problemas y puede falsear la velocidad real de transmisión. Así pues, Bits por segundo (bps) es el término correcto para describir la velocidad de transmisión vista en la interfaz de DCE a DCE, y baudio o bits por segundo son términos aceptables cuando se establece una conexión entre dos sistemas mediante una conexión cableada, o si se utiliza un módem que no realiza corrección de errores ni compresión.

Los módems modernos de alta velocidad (2400, 9600, 14.400 y 19.200bps) en realidad siguen funcionando a 2400 baudios o menos, o más exactamente, a 2400 símbolos por segundo. Los módems de alta velocidad son capaces de codificar más bits de datos en cada símbolo mediante una técnica llamada Constellation Stuffing, y por eso la velocidad efectiva en bits por segundo del módem es mayor, pero el módem sigue funcionando dentro del limitado ancho de banda de audio que proporciona el sistema telefónico. Los módems que funcionan a 28.800 y velocidades superiores tienen velocidades de símbolo variables, pero la técnica es la misma.

Desde el IBM Personal Computer original, IBM seleccionó la UART INS8250 de National Semiconductor para el Adaptador Paralelo/Serie del IBM PC. Las generaciones posteriores de ordenadores compatibles de IBM y de otros fabricantes siguieron utilizando la INS8250 o versiones mejoradas de la familia de UART de National Semiconductor.

A lo largo de los años, la 8250, la 8250A, la 16450 y la 16550 han sido licenciadas o copiadas por otros fabricantes de chips. En el caso de la 8250, la 8250A y la 16450, el circuito exacto (la "megacelda") fue licenciado a muchos fabricantes, entre ellos Western Digital e Intel. Otros fabricantes aplicaron ingeniería inversa a la pieza o produjeron emulaciones con un comportamiento similar.

En los módems internos, el diseñador del módem suele emular la 8250A/16450 con el microprocesador del módem, y la UART emulada suele tener un búfer oculto de varios cientos de bytes. Debido al tamaño del búfer, estas emulaciones pueden ser tan fiables como una 16550A en su capacidad de manejar datos de alta velocidad. Sin embargo, la mayoría de los sistemas operativos seguirán informando de que la UART es solo una 8250A o una 16450, y es posible que no hagan un uso eficaz del búfer adicional presente en la UART emulada a menos que se utilicen controladores especiales.

Algunos fabricantes de módems se ven impulsados por las fuerzas del mercado a abandonar un diseño con cientos de bytes de búfer y a utilizar en su lugar una UART 16550A para que el producto salga bien parado en las comparativas de mercado, aunque el rendimiento efectivo pueda verse reducido por esta decisión.

Un error muy extendido es creer que todas las piezas con "16550A" escrito tienen un rendimiento idéntico. Existen diferencias y, en algunos casos, defectos manifiestos en la mayoría de estos clones de la 16550A.

Cuando se desarrolló la NS16550, National Semiconductor obtuvo varias patentes sobre el diseño y además limitó las licencias, lo que dificultó que otros fabricantes proporcionasen un chip con características similares. Como consecuencia de las patentes, los diseños de ingeniería inversa y las emulaciones tuvieron que evitar infringir las reivindicaciones cubiertas por las patentes. Posteriormente, estas copias casi nunca se comportan exactamente igual que la NS16550A o la PC16550D, que son las piezas que la mayoría de los fabricantes de ordenadores y módems quieren comprar, pero que a veces no están dispuestos a pagar el precio necesario para obtener la pieza genuina.

Algunas de las diferencias en las piezas clónicas de la 16550A carecen de importancia, mientras que otras pueden impedir por completo que el dispositivo se utilice con un determinado sistema operativo o controlador. Estas diferencias pueden manifestarse al utilizar otros controladores, o cuando se producen combinaciones concretas de eventos que no fueron bien probadas o consideradas en el controlador de Windows®. Esto se debe a que la mayoría de los fabricantes de módems y de clones de la 16550 utilizan los controladores de Microsoft de Windows® for Workgroups 3.11 y la utilidad de Microsoft® MS-DOS® como pruebas principales de compatibilidad con la NS16550A. Este criterio excesivamente simplista significa que, si se utiliza un sistema operativo diferente, podrían aparecer problemas debido a diferencias sutiles entre los clones y los componentes genuinos.

National Semiconductor ha puesto a disposición un programa llamado COMTEST que realiza pruebas de compatibilidad independientes de cualquier controlador del sistema operativo. Debe recordarse que el propósito de este tipo de programa es demostrar los defectos de los productos de la competencia, por lo que el programa informará tanto de diferencias de comportamiento importantes como de otras extremadamente sutiles en la pieza que se está probando.

En una serie de pruebas realizadas por el autor de este documento en 1994, se probaron con COMTEST componentes fabricados por National Semiconductor, TI, StarTech y CMD, así como megaceldas y emulaciones integradas en módems internos. A continuación se indica el recuento de diferencias de algunos de estos componentes. Dado que estas pruebas se realizaron en 1994, es posible que no reflejen el rendimiento actual del producto correspondiente de un fabricante.

Debe señalarse que COMTEST normalmente aborta cuando se ha detectado un número excesivo de problemas o ciertos tipos de problemas. Como parte de estas pruebas, COMTEST se modificó para que no abortase sin importar cuántas diferencias se encontrasen.

Es importante entender que un simple recuento de diferencias de COMTEST no revela mucho sobre qué diferencias son importantes y cuáles no. Por ejemplo, aproximadamente la mitad de las diferencias notificadas en los dos módems mencionados arriba que tienen UART internas se debieron a que las UART clónicas no admitían los modos de carácter de cinco y seis bits. Las UART 16550, 16450 y 8250 reales admiten todas estos modos y COMTEST comprueba la funcionalidad de estos modos, por lo que se notifican más de cincuenta diferencias. Sin embargo, casi ningún módem moderno admite caracteres de cinco o seis bits, en particular los que tienen capacidades de corrección de errores y compresión. Esto significa que las diferencias relacionadas con los modos de carácter de cinco y seis bits pueden descartarse.

Muchas de las diferencias que notifica COMTEST tienen que ver con la temporización. En muchos de los diseños clónicos, cuando la máquina lee de un puerto, los bits de estado de algún otro puerto pueden no actualizarse en el mismo tiempo (unos más rápido, otros más lento) que en una NS16550AFN real, y COMTEST busca estas diferencias. Esto significa que el número de diferencias puede inducir a error: un dispositivo puede tener solo una o dos diferencias, pero extremadamente graves, y otro dispositivo que actualice los registros de estado más rápido o más lento que la pieza de referencia (lo que probablemente nunca afectaría al funcionamiento de un controlador bien escrito) podría tener decenas de diferencias notificadas.

COMTEST puede utilizarse como herramienta de cribado para alertar al administrador de la presencia de componentes potencialmente incompatibles que podrían causar problemas o tener que tratarse como un caso especial.

Si ejecuta COMTEST en una 16550 que se encuentra en un módem o hay un módem conectado al puerto serie, primero debe enviar un comando ATE0&W al módem para que este no repita (eco) ninguno de los caracteres de prueba. Si olvida hacerlo, COMTEST notificará al menos esta diferencia:

La UART 8250/16450/16550 ocupa ocho direcciones de puertos de E/S contiguas. En el IBM PC hay dos ubicaciones definidas para estos ocho puertos, que se conocen colectivamente como COM1 y COM2. Los fabricantes de clones de PC y de tarjetas de ampliación han creado dos áreas adicionales conocidas como COM3 y COM4, pero estos puertos COM adicionales entran en conflicto con otro hardware en algunos sistemas. El conflicto más común es con los adaptadores de vídeo que proporcionan emulación del IBM 8514.

COM1 se encuentra de 0x3f8 a 0x3ff y normalmente utiliza la IRQ 4. COM2 se encuentra de 0x2f8 a 0x2ff y normalmente utiliza la IRQ 3. COM3 se encuentra de 0x3e8 a 0x3ef y no tiene una IRQ normalizada. COM4 se encuentra de 0x2e8 a 0x2ef y no tiene una IRQ normalizada.

A continuación se ofrece una descripción de los puertos de E/S de la UART 8250/16450/16550.

Aunque National Semiconductor no ha ofrecido ningún componente compatible con la 16550 que proporcione funciones adicionales, otros fabricantes sí lo han hecho. A continuación se describen algunos de estos componentes. Debe entenderse que, para aprovechar eficazmente estas mejoras, puede que el fabricante del chip tenga que proporcionar los controladores, ya que la mayoría de los sistemas operativos populares no admiten funciones más allá de las proporcionadas por la 16550.

Además de estas UART "tontas", muchos fabricantes producen tarjetas de comunicación serie inteligentes. Este tipo de diseño normalmente incorpora un microprocesador que se comunica con varias UART, procesa y almacena en búfer los datos y avisa después al procesador principal del PC cuando es necesario. Como el procesador del PC no accede directamente a las UART en este tipo de sistema de comunicación, el fabricante no necesita utilizar UART compatibles con la 8250, la 16450 o la 16550. Esto deja libre al diseñador para emplear componentes que pueden tener mejores características de rendimiento.

Aportado por Andrew Webster <awebster@pubnix.net>. 26 de agosto de 1995.

Este es un fragmento de configuración de una máquina con una Digi International PC/8 con 16550. Tiene 8 módems conectados a estas 8 líneas y funcionan perfectamente. No olvide añadir options COM_MULTIPORT o no funcionará muy bien.

El truco para configurarlo es que el MSB de los indicadores (flags) representa el último puerto SIO, que en este caso es el 11, por lo que los indicadores son 0xb05.

Aportado por Don Whiteside <whiteside@acm.org>. 26 de agosto de 1995.

Los procedimientos para hacer funcionar una placa Boca de 16 puertos con FreeBSD son bastante sencillos, pero necesitará un par de cosas para que funcione:

Una nota importante: los chips UART reales de la Boca 16 están en la caja de conectores, no en la propia placa interna. Por lo tanto, si la tiene desenchufada, las sondas de esos puertos fallarán. Nunca he probado a arrancar con la caja desenchufada y enchufarla de nuevo, y le sugiero que usted tampoco lo haga.

Si todavía no tiene un fichero de configuración de kernel personalizado, consulte el capítulo Configuración del kernel del Manual de FreeBSD para conocer los procedimientos generales. Lo siguiente corresponde específicamente a la placa Boca 16 y supone que utiliza el nombre de kernel MYKERNEL y que edita con vi.

Aportado por Helge Oldach hmo@sep.hamburg.com, septiembre de 1999

¿Se ha preguntado alguna vez por el soporte de FreeBSD para su tarjeta multi-E/S de 20$ con dos (o más) puertos COM que comparten IRQ? Así se hace:

Normalmente la única opción para admitir este tipo de placas es utilizar una IRQ distinta para cada puerto. Por ejemplo, si su placa de CPU tiene un puerto COM1 integrado (es decir, sio0, dirección de E/S 0x3F8 e IRQ 4) y tiene una placa de ampliación con dos UART, normalmente tendrá que configurarlas como COM2 (es decir, sio1, dirección de E/S 0x2F8 e IRQ 3), y el tercer puerto (es decir, sio2) como E/S 0x3E8 e IRQ 5. Obviamente esto es un desperdicio de recursos de IRQ, ya que básicamente debería ser posible hacer funcionar ambos puertos de la placa de ampliación con una única IRQ mediante la configuración COM_MULTIPORT descrita en las secciones anteriores.

Estas placas de E/S baratas suelen tener una matriz de puentes (jumpers) de 4 por 3 para los puertos COM, similar a la siguiente:

Aquí se muestra el puerto A cableado para la IRQ 5 y el puerto B cableado para la IRQ 3. Las columnas de IRQ de su placa concreta pueden variar: otras placas pueden ofrecer puentes para las IRQ 3, 4, 5 y 7 en su lugar.

Se podría concluir que cablear ambos puertos a la IRQ 3 mediante un puente hecho a mano con cable que cubra los tres puntos de conexión de la columna de la IRQ 3 resolvería el problema, pero no es así. No puede duplicar la IRQ 3 porque los controladores de salida de cada UART están cableados en configuración "totem pole", así que si una de las UART maneja la IRQ 3, la señal de salida no será la que cabría esperar. Según la implementación de la placa de ampliación o de su placa base, la línea IRQ 3 permanecerá continuamente en alto o siempre en bajo.

Debe desacoplar los controladores de IRQ de las dos UART, de modo que la línea IRQ de la placa solo suba si (y solo si) una de las UART activa una IRQ, y permanezca en bajo en caso contrario. La solución fue propuesta por Joerg Wunsch j@ida.interface-business.de: soldar un wired-or formado por dos diodos (se recomiendan encarecidamente los de tipo germanio o Schottky) y una resistencia de 1 kOhm. Este es el esquema, partiendo del campo de puentes de 4 por 3 anterior:

Los cátodos de los diodos están conectados a un punto común, junto con una resistencia pull-down de 1 kOhm. Es esencial conectar la resistencia a tierra para evitar que la línea IRQ flote en el bus.

Ahora estamos listos para configurar un kernel. Siguiendo con este ejemplo, configuraríamos:

Tenga en cuenta que el valor de flags para sio1 y sio2 es realmente esencial; consulte sio(4) para obtener más detalles. (En general, el 2 del atributo "flags" se refiere a sio2, que contiene la IRQ, y seguramente querrá un 5 en el nibble bajo.) Con el modo detallado (verbose) del kernel activado, esto debería producir algo similar a lo siguiente:

Aunque /sys/i386/isa/sio.c es algo críptico con su uso del array "irq maps" anterior, la idea básica es que se observe 0x1 en la primera, tercera y cuarta posición. Esto significa que la IRQ correspondiente se activó en la salida y se desactivó después, que es justo lo que esperaríamos. Si su kernel no muestra este comportamiento, lo más probable es que haya algún problema con el cableado.