Curso de Tecnologia e Mídias Digitais PUC SP - 1º Semestre - 2002

1. Curso de Tecnologia e Mídias DigitaisPUC SP - 1º Semestre - 2002 Comunicação Local Assíncrona RS-232

2. RS232: Porta Serial • A porta serial convencional é uma porta E/S muito antiga. • Quase todos os PC's as possuem. • Mas os Macs (Apple Computer) após meados de 1998 (com caixas coloridas) têm apenas a porta USB. • A especificação comum é RS-232 (ou EIA-232). • O conector para a porta serial é visto muitas vezes como um ou dois conectores de 9 pinos (em alguns casos 25 pinos) na parte posterior do PC. Mas a porta serial é mais do que apenas isso. Inclui a eletrônica associada, que deve produzir sinais de acordo com a especificação EIA-232. • Um pino é usado para enviar bytes de dados e outro para receber bytes de dados. Um outro pino é um terra para sinais comum. Os outros pinos "úteis" são usados principalmente para fins de sinalização com uma tensão negativa constante significando "desligado", e uma tensão positiva constante significando "ligado".

3. RS232: Conceito – Normas recomended standard number 232 from the Electronic Industry Association • Apareceu em 1960 para especificar as conexões entre computadores e a rede publica de telefones. Somente em 1980 adquiriu as normas atuais. • Utiliza-se o DB-25 para ligar DTE’s (data terminal equipment) e DCE’s (data comunications equipment) • A norma RS-232 define três padrões: elétrico, funcional e físico. • O padrão RS-232 • Definição elétrica: tensão varia entre –15v e + 15v • Definição física: tamanho máximo do conector 15 metros • Definição funcional: informa quais são os circuitos conectados a cada pino, e como é a transmissão de caracteres.

4. RS232: Conceito – Normas recomended standard number 232 from the Electronic Industry Association • Originalmente o conector RS232 foi desenvolvido para usar 25 pinos(DB25), porém a versão de 9 pinos (DB9) vem sendo utilizada com maior freqüência.

5. Comunicação Assíncrona: Conceito • Tipo de comunicação que o remeteutiliza receptor não necessitam de estar sincronizados. • Tipo de comunicação que ocorre com desfazamento significativo de tempo em que diferentes utilizadores em comunicação trocam informação que é enviada para ser recebida com um determinado atraso • Exemplos de dispositivos assíncronos: ???

6. Comunicação Assíncrona : Dispositivos • Teclado • Mouse • Impressora • Modems • .....

7. Comunicação Assíncrona : Transmissão (lógica) • Numa transmissão assíncrona, quando queremos transmitir um bloco de dados binários, este é segmentado em conjuntos de 8 bits de informação, aos quais são acrescentados um cabeçalho, constituído de um bit, e no final um outro, constituído de um ou dois bits, formando assim um conjunto de 10 ou 11 bits denominados de caracteres (bytes) de start e stop.

8. Comunicação Assíncrona : Transmissão (lógica) • O cabeçalho é formado por um digito binário zero, também denominado de start bit, pois sinaliza o início do bloco de 8 bits de informação. O caractere final (também chamado de rabeira), é constituído de um a dois dígitos binários em um, também chamados de stop bits, indicam o fim dos 8 bits de informação. Os bits de start e stop, além de localizarem temporalmente os 8 bits de informação, também tem a função de sincronizar a fase do relógio de recepção local no terminal de recepção.

9. Comunicação Assíncrona : Transmissão (lógica - Considerações) • Fica claro que, a transmissão assíncrona, pelo fato de não se preocupar em enviar informação de sincronismo junto com os dados, possui uma implementação simples, mas, por outro lado, é pouco eficiente, pois no pior caso, para enviar 8 bits de informação necessita um total de 11 bits, tendo uma eficiência de 72%. Na transmissão de caracteres alfanuméricos, o oitavo bit às vezes ainda é utilizado para implementar um mecanismo de detecção de erros, baseado na paridade dos restantes 7 bits de informação, neste caso, a eficiência baixa para 63%.

10. Comunicação Assíncrona : Transmissão (eléctrica – meio fisico) • Como a informação é transmitida do emissor para o receptor (ex: PC para modem)? • A Interface RS-232 especifica 25 circuitos de ligação, ou condutores, que controlam o fluxo de dados entre o ETD e ECD. O sinal de cada um desses condutores ocorre de acordo com uma transição de voltagem predefinida. • Dessa forma, os padrões estabelecem os níveis de tensão para a transmissão de dados, onde o estado lógico 1 (marca) é definido como sendo uma tensão negativa entre -3 e -15 volts, enquanto o estado lógico 0 (espaço) é definido como uma tensão positiva entre +3 volts e +15 volts, tudo referenciado ao terra de sinal e com previsão de uma queda de tensão de 12 volts ao longo das linhas de transmissão (RUIDO).

11. Comunicação Assíncrona : Transmissão (eléctrica – meio fisico) • Como os receptores são obrigados a reconhecer sinais de no máximo +-3 volts, sobra uma margem de segurança (região de transição) de 6 volts entre os níveis 1 e 0, o que contribui para aumentar a imunidade a ruídos e a diferença de potencial de massa . O estado do sinal não necessariamente será identificado de forma única quando a tensão estiver na região de transição.

12. Baud Rate, Data Bits & Parity • Uma comunicação série que usa Rs-232 requer que você especifique quatro parâmetros: Baud Rate, Data Bits que codificam um caractere, o Parity Bit que é opcional e o número de Stop Bits. • Cada caractere transmitido é empacotado em um frame do caractere que consiste em um único bocado de começo seguido pelos bocados de dados, no bocado de paridade opcional, e no bocado ou nos bocados de fim de pacote. • Estamos a considerar “bocado” a cada bit

13. Baud Rate, Data Bits & Parity

14. Baud Rate, Data Bits & Parity • Baud Rate • A Baud Rate, é uma medida de como rapidamente os dados se estão movendo entre os instrumentos que usam uma comunicação de série. • RS-232 usa somente dois estados da tensão, chamados MARCA e ESPAÇO (MARK and SPACE). Em tal esquema de coding do dois-estados, a taxa de baud é idêntica ao número máximo dos bocados de informação, incluindo os control bits, que são transmitidos por o segundo.

15. Baud Rate, Data Bits & Parity • Baud Rate (continuação) • A MARCA (MARK)é uma tensão negativa e o ESPAÇO (SPACE) é positivo; a figura mostra como o sinal aparece num osciloscópio. Representação de um “R” e de um ”S”

16. Baud Rate, Data Bits & Parity • Start Bit • Um Start Bit sinaliza o começo de cada frame do caractere. É uma transição de negativo (MARCA) à tensão positiva (do ESPAÇO); sua duração nos segundos é a recíproca da taxa de baud. Se nós estivermos transmitindo em 9600 baud, então a duração do bocado de começo e de cada bocado subseqüente será aproximadamente 0,104 ms. O frame inteiro do caráter de onze bocados seria transmitido em aproximadamente 1,146 ms.

17. Baud Rate, Data Bits & Parity • Data Bits • Os Data Bits são "de cabeça para baixo transmitidos e para trás." Isto é, a lógica invertida é usada e a ordem da transmissão é do bocado menos significativo (Least Significant Bit) para o bocado mais significativo (Most Significant Bit). Para interpretar os bocados de dados do caráter num frame, você deve ler da direita para a esquerda, e ler 1 para a tensão negativa e 0 para a tensão positiva.

18. Baud Rate, Data Bits & Parity • Parity Bit • Um bocado de paridade opcional segue os bocados de dados no frame do caractere. O bocado de paridade, estiver presente, seguir também a lógica invertida: leia 1 para a tensão negativa e 0 para a tensão positiva. • Este bocado é incluído como meio simples de verificação de erro. A idéia é esta: você especifica antes do tempo se a paridade da transmissão deve ser uniforme ou impar. Suponha que a paridade está escolhida ser impar. O transmissor ajustará então o bocado de paridade em tal maneira a respeito de faz um número impar de 1 entre os bocados de dados e o bocado de paridade.

19. Baud Rate, Data Bits & Parity • Stop Bits • A última parte de um frame do caráter consiste em 1, 1,5, ou 2 bocados de batente (STOP BITS). Estes bocados são representados sempre por uma tensão negativa. Se nenhum caractere mais adicional for transmitido, a linha permanece na condição negativa (da MARCA). A transmissão do frame seguinte do caráter, se existirem, será iniciado por um bocado de começo da tensão positiva (do ESPAÇO).

20. Tipos de Comunicação Assíncrona • Basicamente existem 3 formas de como os dados podem ser transmitidos: • Simplex: quando permite comunicação apenas em um único sentido, tendo em uma extremidade um dispositivo apenas transmissor (transmitter) e do outro um dispositivo apenas receptor (receiver). Não há possibilidade do dispositivo receptor enviar dados ou mesmo sinalizar se os dados foram recebidos corretamente. Transmissões de rádio e televisão são exemplos de transmissão simplex.

21. Tipos de Comunicação Assíncrona • half duplex: também chamada semi-duplex quando existem em ambas as extremidades dispositivos que podem transmitir e receber dados, porém não simultaneamente. Durante uma transmissão half-duplex, em determinado instante um dispositivo A será transmissor e o outro B será receptor, em outro instante os papéis podem se inverter. Por exemplo, o dispositivo A poderia transmitir dados que B receberia; em seguida, o sentido da transmissão seria invertido e B transmitiria para A a informação se os dados foram corretamente recebidos ou se foram detectados erros de transmissão. A operação de troca de sentido de transmissão entre os dispositivos é chamada de turn-around e o tempo necessário para os dispositivos chavearem entre as funções de transmissor e receptor é chamado de turn-around time.

22. Tipos de Comunicação Assíncrona • full duplex: também chamada apenas duplex quando dados podem ser transmitidos e recebidos simultaneamente em ambos os sentidos. Poderíamos entender uma linha full-duplex como funcionalmente equivalente a duas linhas simplex, uma em cada direção. Como as transmissões podem ser simultâneas em ambos os sentidos e não existe perda de tempo com turn-around, uma linha full-duplex pode transmitir mais informações por unidade de tempo (maior throughput) que uma linha half-duplex, considerando-se a mesma taxa de transmissão de dados.

23. Comunicação Assíncrona Full Duplex • Em muitas aplicações RS232, existe necessidade da informação fluir ao mesmo tempo nas duas direções. Ex: conectar um terminal ASCII a um computador, a informação vai do teclado ao computador e ao mesmo tempo do computador para a tela. Neste tipo de ligação os sinais de controle são ignorados

24. Limitações do Hardware Real • Nenhum dispositivo eletrônico reproduz uma tensão exata ou muda de uma tensão a outra instantaneamente, e também nenhum fio conduz eletricidade perfeitamente – quando a a energia flui através do fio, perde-se sinal, sendo assim o sinal recebido não é perfeito. • O RS-232 sabe que o hardware é imperfeito, o padrão não especifica que um receptor deve medir a tensão exatamente no começo de cada bit, o padrão determina a tomada de amostras durante o tempo alocado ao bit. Deste modo o receptor reconhecera os sinais .

25. Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits • Cada sistema tem uma largura de manda (bandwidth) limitada, isto é a taxa máxima em que um hardware pode realizar mudanças de sinal. • A largura de Banda é medida em ciclos por segundos Hertz; exemplo , se uma sistema de transmissão tiver uma largura de 4000 Hz, então o hardware deste sistema pode transmitir sinais que oscilem para frente e para trás em uma taxa igual ou menor a 4000 Hz. • Na década de 20, um pesquisador descobriu a relação entre a largura de banda e do número máximo de bits por segundo, conhecido como “Teorema de Amostragem de Nyquist ”.

26. Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits • Para um sistema como o RS-232 que usa dois valores de tensão para codificar dados, o teorema de Nyquist que a taxa de dados máxima de bits por segundo que pode ser atingida sobre um sistema de transmissão B é 2B. De maneira geral, se o sistema da transmissão usa K valores de tensão possíveis em vez de 2, o teorema de Nyquist indica que a taxa máxima de bps é = 2Blog 2 K

27. Questões: • É A Porta Serial Obsoleta? 2. Explique o “Baud Rate” e como este processo é desenvolvido. 3. Na comunicação local Assíncrona (rs232) os dados para serem transmitidos são “empacotados”? Explique. 4. Quando pode se dizer que um hardware de comunicação é tido como assíncrono ? 5. Já que nenhum hardware reproduz uma tensão exata como o padrão RS232 faz para que o receptor aceite o sinal transmitido ?

28. Respostas: • SIM A resposta é sim, a porta serial é obsoleta, mas é ainda necessária, especialmente para Linux. A porta serial tem muitos defeitos, mas parece que quase todos os novos PCs vêm com elas. A porta serial deve passar dados entre o computador e o cabo externo. Assim, ela tem duas interfaces, ambas lentas. Primeiro consideraremos a interface via o cabo externo e o mundo de fora. O Cabo EIA-232 (RS-232) É Para Baixa Velocidade e Curta Distância A porta serial convencional RS-232 é inerentemente para baixa velocidade e severamente limitada em distância. Anunciam freqüentemente "alta velocidade", mas pode apenas funcionar a alta velocidade sobre distâncias muito curtas tais como a um modem localizado pertinho do computador. Comparado a uma placa de rede, mesmo esta "alta velocidade" é baixa. Todos os fios em cabos seriais usam um fio de retorno de terra comum, de modo que a tecnologia de pares trançados (necessários para altas velocidades) não pode ser usada sem hardware adicional.

29. Respostas: Existem interfaces mais modernas para portas seriais mas estas não são muito populares. É algo trágico que o padrão RS-232 de 1969 não usava tecnologia de pares trançados que podia operar cerca de cem vezes mais rápido. Os pares trançados têm sido utilizados em cabos telefônicos desde a última parte do século 19. Em 1888 (113 anos atrás) a "Conferência de Cabos" relatou seu suporte ao par trançado (para sistemas telefônicos) e destacou as suas vantagens. Mas por mais de 80 anos após a sua aprovação pela "Conferência de Cabos", o RS-232 deixou de utiliza-lo. Como o RS-232 foi originalmente projetado para conectar um terminal a um modem de baixa velocidade localizado por perto, a necessidade de alta velocidade e transmissão a distâncias maiores aparentemente não foi reconhecida.

30. Respostas: • A Baud Rate, é uma medida de como rapidamente os dados se estão movendo entre os instrumentos que usam uma comunicação série, isto é, a velocidade de transmissão de dados. Essa transmissão ocorre com a variação de tensão elétrica do condutor. Por exemplo na taxa de transmissão de 9600 baud, significa que são transmitidos 9600 bits por segundo

31. Respostas: • Sim, neste tipo de transmissão os dados são “empacotados” de forma ao receptor entender a informação. Esta forma de “empacotamento” é a seguinte (normalmente): • 1 start bit • 7 bits que chamamos de caractere frame • 1 parity bit • 2 stop bit • Devido a isto e dizemos que é um tipo de transmissão de dados de pouca eficiência 11 bits --------------- 100% 7 -------------------- X 100% * 7 / 11 = 63,6% de eficiência

32. Respostas: • Um hardware de comunicação é classificado como assíncrono se o sinal elétrico que o transmissor enviar não contiver informações que o receptor pode usar para determinar onde os bits individuais começam e terminam.

33. Respostas: • O padrão diz o quanto parecido do formato perfeito de onda um transmissor deve emitir e quanto tolerante à perfeição um receptor deve ser.

34. Anexo: Significado de cada pino do DB25 • Protective Ground – Ligado ao modem com objetivo de proteger o equipamento e o operador contra descargas elétricas. • Transmitted Data – Os dados (na forma digital) vindos do dispositivo  ETC são encaminhados para o ECD para a transmissão. • Esses dados sofrerão modulação (modem analógico) ou codificação modem digital para serem colocados no meio de transmissão. • Received Data – Os dados recebidos pelo modem sofrem a demodulação (modem analógico) ou a decodificação (modem digital) e são encaminhados ao ETD 3 na forma digital. • Request to Send – Indicação do terminal para o modem alertando que a transmissão pode ser iniciada. • Clear to Send – Indicação do modem ao terminal informando que o mesmo está pronto para transmitir dados. É um sinal de resposta ao sinal RTS. • Data Set Ready – Indicação do modem ao terminal indicando que o mesmo está pronto para operar. • Signal Ground – Estabelece uma referência de aterramento para as linhas. • Pode ser associado ao pino 1.

35. Anexo: Significado de cada pino do DB25 • Carrier Detect – Enviado pelo modem ao terminal, indica que o modem está recebendo um sinal na linha com característica de portadora. • Secondary Received Signal Detect – Equivalente ao CD, exceto por ser utilizado para indicar se o sinal de linha do canal secundário está dentro de limites apropriados. • Secundary Clear to Send – Equivalente ao sinal CTS, exceto por ser utilizado se o ECD é condicionado para transmitir dados no canal secundário. • Secondary Transmitted Data – Equivalente ao TD, exceto por utilizar o canal secundário para transmitir dados. • Transmit Timing – O modem informa ao terminal o sinal de relógio (clock) utilizado para temporizar os dados que são transmitidos. • Secundary Received Data – Equivalente ao RD, exceto pela sua utilização para receber dados no canal secundário. • Received Timing – O modem síncrono informa ao terminal qual o clock dos dados recebidos. • Secondary Request to Send – Equivalente ao RTS, exceto pela sua utilização para controlar a função de transmissão do canal secundário do ECD.

36. Anexo: Significado de cada pino do DB25 • Data Terminal Ready – Controla a conexão do modem à linha telefônica. • Signal Quality Detector – Indica a probabilidade de existência de um erro nos dados recebidos. • Ring Indicator – O modem avisa ao terminal a detecção de uma chamada telefônica (Ring). • Data Rate Detector – Permite que o terminal selecione a velocidade de transmissão do modem. • Transmit Timing – O terminal fornece ao modem assíncrono a base de tempo (clock) a ser utilizado para a transmissão de dados

37. Material de Apoio: Livros • Redes de Computadores e Internet – Comer , E. Douglas • Capitulo 4 (pág. 43 – 53) • Redes de Computadores – Luis Fernando Gomes ,Wildo Lemos , Sérgio Laucher Pesquisa na Internet (alguns sites mais significativos) • http://www.rad.com/networks/1995/rs232/rs232.htm • http://venus.rdc.puc-rio.br/rmano/interfac.html • http://www.mindspring.com/~jc1/serial/Basics/BitFormat.html • Pode ainda participar em grupos de discussão sobre RS232 através de http://groups.google.com/groups