§1.Описание COM портов персонального компьютера IBM XT.
1.1 Основные свойства COM портов.
Работа коммуникационных портов реализована на универсальных асинхронных приемопередатчиках UART. UART- это микросхемы, которые работают по стандарту RS-232C. Для СОМ порта компьютера используется 9-ти штырьковый разъем DE9p согласно стандарта TIA-574. В этом разъеме используется шесть сервисных сигналов и два канала обмена последовательными данными.
Основные свойства СОМ портов: 1.Полнодуплексный обмен данными. Означает, что можно одновременно передавать и принимать поток данных. Существуют два аппаратно и программно независимых канала передачи данных. Один канал для передачи данных, другой канал для приема данных. Причем COM-портам безразлично, чем занят процессор в это время, у них присутствуют собственные буферы приема и передачи данных. В этих буферах данные выстраиваться в очередь на передачу и очередь на прочтение данных процессором. Любая программа может обратиться к СОМ-порту и получить данные из его буфера, тем самым очистив его. Естественно буферы не безграничны, их размер задается при конфигурировании портов. Интерфейсы RS-485, Modbus, USB и др. (за исключением сетевых протоколов) являются полудуплексными и физически не способны вести обмен данными в обоих направлениях одновременно. 2.Набор сервисных сигналов Сервисные сигналы, предусмотренные стандартом RS-232c, позволяют организовать обмен данными между двумя устройствами одновременно в обоих направлениях. Сервисные сигналы представлены отдельными цифровыми входами и выходами с памятью. Например, кода по телефону на модем поступал звонок со станции, модем по 9-му контакту (RI) сообщал РС, что ему позвонили, и начиналась процедура обмена данных. Причем с помощью сервисных сигналов РС и модем могли приостановить обмен данных или заставить повторить их. Вариантов использования сервисных сигналов большое множество. Разработчик может использовать их по своему усмотрению. Например, с помощью этих сигналов удобно опрашивать контакты концевых выключателей или фотодатчиков, а также можно включать/выключать различные устройства или запитывать слаботочное устройство. 3.Программная независимость UART полностью реализован аппаратно и не зависит от программного обеспечения и ОС. 4. Асинхронная передача данных по каналу связи Означает то, что РС может послать данные на конечное устройство, не заботясь о синхронности их поступления. Конечное устройство само подстраивается под полученные данные. В синхронных протоколах для этого служит специальный сигнал, передающийся по отдельному проводу. В коммуникационных портах синхросигнал встроен в каждый передаваемый символ, в виде стартового и стопового бита. Метод, которым синхронизируются данные по стандарту RS-232С, стал общеупотребительным для всех асинхронных протоколов обмена данными.
1.2 Технические характеристики COM портов
Рис.1 Вид разъёмов СОМ1 и СОМ2 на материнской плате.
Тип разъема:DE9p(DB9P) или DB25P male (папа), ответная часть DE9s(DB9s) или DB25s femini (мама)
Расстояния связи: стандартное — 25ft( 7.62м), максимальное (определено многими факторами)
1.3 Назначение сигналов СОМ порта по стандарту RS-232C.
GND- Ground, (общий) второй провод для всех сигналов.(Сигналы передаются всегда по двум проводам!)
TxD- Transmited Data, асинхронный канал для передачи данных.
RxD- Received Data, асинхронный канал для приема данных.
RTS- Request To Send (запрос на передачу), Выход который говорит о том, что у компьютера есть данные для передачи по каналу TxD для конечного устройства.
DTR- Data Terminal Ready(готовность терминала данных), Выход который говорит о том, что компьютер(терминал) готов к обмену данными с конечным устройством
CTS- Clear To Send (очищен для передачи) Вход, который говорит о том, что конечное устройство готово принимать данные от терминала по каналу TxD. Обычно этот сигнал выставляет конечное устройство после того, как оно получит от компьютера сигнал RTS=True(запрос на передачу) и будет готово принять данные от компьютера. Если конечное устройство не выставит сигнал CTS=True, то передача по каналу TxD не начнется. Данный сигнал используется для аппаратного управления потоками данных
DSR- Data Set Ready(установка данных готова), Вход который говорит о том, что конечное устройство выполнило все установки и готово начать передавать и принимать данные от компьютера. Если конечное устройство модем, то установка DSR=True воспринимается компьютером(терминалом) так, что модем уже установил связь с другим модемом и готов начать процедуру обмена между двумя компьютерами оснащенных модемами
DCD- Data Carrier Detected(обнаружен носитель информации), Вход который информирует компьютер(терминал) об обнаружении другого терминала, то есть конечное устройство , например модем, обнаружил другой модем, который хочет инициализировать обмен данных между терминалами. Модем выставляет сигнал DCD=True, который обнаруживается на входе компьютера(терминала). Если терминал готов к обмену данными, то он на сигнал DCD=True должен выставить сигнал готовности терминала к обмену данными DTR=True, после чего начинается обмен данными между двумя терминалами.
RI- Ring Indicator(индикатор звонка), Вход который говорит компьютеру(терминалу) что на конечное устройство поступает сигнал вызова. Например, на модем поступил сигнал вызова с телефонной станции, совсем не обязательно, что этот вызов закончится обменом данных.
PG — Protective Ground. Защитное заземление.
Рис.2 Нумерация контактов для разъёмов COM-порта
1.4 Уровни сигналов UART
UART использует уровни сигналов -12в. +12в . Зона нечувствительности, то есть отсутствие сигналов считается напряжение -3в. +3в. При этом обратите внимания, что принимаемые/передаваемые данные инвертированы.
Рис.3 Уровни сигналов UART по стандарту RS-232c
Исходные состояния
порт не инициализирован — на всех линиях напряжения находятся в диапазоне -3в. +3в
режим ожидания — на всех линиях напряжение находится в диапазоне -3в. -12в
1.5 Передача данных через UART
При передаче данных символы передаются из буфера передатчика последовательно (первым пришел- первым вышел). Специально назвал символами , а не байтами, так как символы могут иметь размер от 5 до 8 бит. Каждый переданный символ снабжается стартовым и стоповым битами, предназначенным для синхронизации на приемной стороне. После стартового бита следуют биты данных, начиная с младшего бита и заканчивая старшим. За последним битом данных символа может следовать бит паритета, служащий для обнаружения ошибки передачи битов данных. Последним передается стоповый бит, который необходим для временного разделения переданных символов
Рис.4 Показана передача символов «0» «0» без паритета, с одним стоповым битом
На рисунке 4 хорошо видно, что стоповый бит разделяет два переданных символа. При необходимости можно увеличить этот интервал до 2 стоповых битов, если конечное устройство не успевает разделять символы.
Рис.5 Показана передача символов «0» «0» с проверкой на четность (EVEN), с одним стоповым битом
1.6 Соединительные кабели
Нуль-модемное соединение двух COM портов.
При таком соединении компьютеры(терминалы) соединяются между собой непосредственно через СОМ-порты, без использования модемов. Так как компьютеры обладают большой скоростью обработки данных, то синхронизировать их работу не нужно. Поэтому предполагается, что режим синхронизации обмена (Handshaking): 0-None, то есть сервисные сигналы не влияют на процедуры обмена данными. Для этого используется нуль-модемный кабель.
Рис.6 Нуль-модемный кабель для Handshaking = 0 (None)
Так как режим синхронизации обмена на СОМ портах может быть включен, то часто сервисные сигналы СОМ портов замыкают самих на себя, тем самым исключая их влияния на процедуру обмена.
Рис.7 Нуль-модемный кабель для любых режимов Handshaking
Если необходимо можно использовать полный кабель, но при этом СОМ-порты должны быть настроены на аппаратную синхронизацию обмена. Данный режим используют когда устройство не успевает перерабатывать информацию полученную по СОМ-порту (меделенное устройство или PC). Этот режим позволяет останавливать обмен данных на время обработки полученной информации.
Рис. 8 Нуль-модемный кабель для аппаратного режима синхронизации Handshaking=2
Модемное соединение подразумевает соединение двух компьютеров(DTE) через модемы(DCE). Модемы (модуляторы-демодуляторы) — специальные устройства, позволяющие вести обмен данными практически на неограниченное расстояния, используя для этого модуляцию и демодуляцию информационных сигналов. Поэтому модемное соединение подразумевает подключение СОМ-порта компьютера(DTE) к конечному устройству модему (DCE). Обычно в таком соединении используют аппаратный режим синхронизации Handshaking =2 (модемы — это медленные устройства). Этот режим позволяет модемам управлять процессом передачи данных.
Рис. 9 Типичный модемный кабель.
1.7 Организация обмена данных при аппаратном режиме синхронизации.
Аппаратный режим синхронизации обмена данными RTS/CTS (hardware flow control) Handshaking =2, использует сервисные сигналы RS-232C для управления потоком данных.
Рис.10 Организация обмена при аппаратной синхронизации.
Порядок выставления сервисных сигналов при обмене через модем:
DTR=True компьютер указывает на желание использовать модем
В ответ модем сигнализирует о установлении соединения с другим модемом и своей готовности выставив DSR=True.
Сигналом RTS=True компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.
Сигналом CTS=True модем уведомляет о своей готовности к приему данных от компьютера и передаче их в линию. По этому сигналу начинается обмен данными между терминалами через модемы.
Установкой CTS=False модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема, компьютер должен приостановить передачу данных.
Установкой CTS=True, модем сообщает, что он может продолжать обмен данными.
Установкой RTS=False компьютер сообщает модему о временной приостановке обмена.
Модем получив сигнал остановки обмена RTS=False, сообщает о приостановки обмена сигналом CTS=False
Компьютер вновь готов принимать данные и он выставляет сигнал RTS=True
Модем получив сигнал от компьютера о готовности к обмену выставляет свою готовность CTS=True. После чего возобновляется обмен данных.
Компьютер указывает на завершение обмена выставив RTS=False
Модем подтверждает завершение обмена сигналом CTS=False
Компьютер снимает сигнал DTR, что является сообщением для модема разорвать соединение и повесить трубку.
Модем подтверждает разрыв соединения установкой сигнала DSR=False
Как видно из рис.10 модем использует сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему. Передатчик «выпускает» очередной байт только при включенной линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует целостность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию передатчика на состояние приемника.
1.8 Организация обмена данных при программном режиме синхронизации.
Программный протокол управления потоком XON/XOFF( Handshaking =1). Работает протокол следующим образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым оно не может их дальше принимать, оно по обратному последовательному каналу посылает байт-символ XOFF (13hex). Противоположное устройство, приняв этот символ, приостанавливает передачу. Когда принимающее устройство снова становится готовым к приему данных, оно посылает символ XON (11hex), приняв который противоположное устройство возобновляет передачу. Время реакции передатчика на изменение состояния приемника по сравнению с аппаратным протоколом увеличивается, по крайней мере, на время передачи символа (XON или XOFF) плюс время реакции программы передатчика на прием символа. Преимущество программного протокола заключается в отсутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса — минимальный кабель для двустороннего обмена может иметь только 3 провода. Недостатком данного метода является большее время реагирования и исключения из передаваемого потока двух символов (13hex, 11hex).
Существует смешанный метод синхронизации обмена данными RTS/XOn/Xoff (Handshaking =3), который представляет собой объединение двух предыдущих методов.
1.9 Описание контрольных битов (Parity Control Bit):
Режимы контрольного бита (Parity Control Bit)
N(None) — проверка на паритет не используется и бит не выставляется;
E(EVEN) — проверка на четность, дополняет передаваемый символ так, чтобы количество единиц в передаваемом символе было четным;
O(Odd)— проверка на нечетность, дополняет передаваемый символ так, чтобы количество единиц в передаваемом символе было нечетным;
M(MARK) — бит паритета всегда равен единице;
S(SPACE)— бит паритета всегда равен нулю.
1.10 ASCII кодовая таблица.
Для кодирования символов передаваемых по RS-232С используется таблица, кодирующая использованные символы и управляющие знаки.
Рис.11 Стандартная кодовая таблица ASCII
Первые 32 символа этой кодовой страницы представляют собой управляющие символы, которые предназначены для управления модемом. Например, использование символов 17(11hex) и 19(13hex) были изложены выше, в программном способе управления обменом. Эти символы были разработаны в основном для управления печатающими устройствами и модемами
Таблица 2. Управляющие символы ASCII.
00(00hex) — NUL пустой символ
08(08hex)- BS возврат на одну позицию
16(10hex)- DLE переключение кода
24(18hex)- CAN отмена
01(01hex)- SOH начало заголовка
09(09hex)- HT горизонтальная табуляция
17(11hex)- DC1 управление первым устройством (XON)
25(19hex)- EM конец носителя
02(02hex)- STX начало текста
10(0Ahex)- LF перевод строки
18(12hex)- DC2 управление вторым устройством
26(1Ahex)- SUB замена
03(03hex)- ETX конец текста
11(0Bhex)- VT вертикальная табуляция
19(13hex)- DC3 управление третьим устройством (XOFF)
27(1Bhex)- ESC переход
04(04hex)- EOT конец передачи
12(0Chex)- FF подача бланка (новый лист)
20(14hex)- DC4 управление четвертым устройством
28(1Chex)- FS разделитель файла
05(05hex)- ENQ запрос
13(0Dhex)- CR возврат каретки
21(15hex)- NAK переспрос
29(1Dhex)- GS разделитель группы
06(06hex)- ACK подтверждение
14(0Ehex)- SO переход на верхний регистр
22(16hex)- SYN режим синхронного ожидания
30(1Ehex)- RS разделитель записи
07(07hex)- BEL звонок
15(0Fhex)- SI переход на нижний регистр
23(17hex)- ETB конец передачи блока
31(1Fhex)- US разделитель блока
1.11 Аппаратная реализация СОМ портов.
Для аппаратной реализации СОМ портов по стандарту RS-232 используется специализированная микросхема UART. UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter )- универсальный асинхронный приёмо-передатчик. Микросхема i8250 установленная в IBM XT послужила началом целой серии микросхем UART, которые устанавливались на материнские платы PC.
Микросхемы UART:
8250 — буфер 1 байт
16450 — буфер 8 байт
16550 — буфер 16 байт
16650 — буфер 32 байт
16750 — буфер 64 байт
16850 — буфер 128 байт
16950 — буфер 512 байт
Hayes ESP — буфер 1024 байт
Микросхемы выпускались разными фирмами производителями: Intel, National Semiconductor, Maxim и др.
Микросхема представляет собой управляемую логическую схему с буферными регистрами для приёма и передачи последовательных данных. Буферные регистры позволяют вести передачу и приём данных без участия CPU. Соответственно чем больше ёмкость буферных регистров, тем реже микросхема прерывает работу CPU. Буферные регистры устроены по принципу «очереди» (FIFO) — первым пришел, первым вышел. Получив порцию данных в передающий буферный регистр, UART начинает передавать её в сеть RS-232, одновременно он может принимать данные из сети RS-232 в приёмный буферный регистр. Программное обеспечение в любой момент может обратиться к приёмному буферу UART, тем самым освободив его для приёма следующих данных. При заполнении приёмного буфера UART может прервать работу CPU, сообщив ему о заполнении буфера. Заполнение приёмного буфера вызовет остановку приёма данных из сети RS-232, до тех пор пока он не будет прочитан. Рассмотрим работу UART на примере микросхемы PC16550D
Рис.12 Стандартная схема включения UART PC16550D с микропроцессором Intel 8088
Обращение к микросхеме осуществляется через адресное пространство портов ввода-вывода CPU. Микросхема подключается к системной шине при активизации сигнала CS0, который вырабатывается при обращении CPU к заданному диапазону адресов порта. Адреса портов ввода-вывода заданы в BIOS. Обычно они имеют значения: COM1=3F8h, COM2=2F8h, COM3=3E8h, COM4=2E8h . На входы UART A0,A1,A2 подаются три младших разряда адресной шины CPU. Адрес заданный в BIOS является начальным адресом диапазона адресов (A2A1A0=000). Следовательно полный диапазон адресов для каждого порта равен 8 адресам (от A2A1A0=000 до A2A1A0=111). Например, для СОМ4 2E8h,2E9h,2EAh,2EBh,2ECh,2EDh,2EEh,2EFh. Расстояние между начальными адресами портов равно 16, что допускает в дальнейшем использования микросхем с четырьмя начальными адресными линиями. Обращение к микросхеме по определённому адресу открывает доступ к группе регистров управления или буферных регистров приёма и передачи. CPU может записать данные в регистры UART выставив сигнал WR=0, или прочитать данные, выставив сигнал RD=0.
1.12 Программная реализация UART.
UART состоит из 12 регистров, к которым можно обратиться по восьми адресам портов ввода-вывода. Так как индивидуального адреса для каждого регистра не хватает, то используют расщепление адресного пространства с помощью следующих методов:     1.Разделение одного адресного пространства на два регистра по записи/чтению.         По сигналу чтения RD=0 читается один регистр, по сигналу записи WR=0 записывается второй регистр.         То есть данные по одинаковому адресу записываются или читаются с разных регистров.         Таких регистров четыре:                 THR, RBR — по адресу UART 00h(A2A1A0=000)                 IIR, FOR — по адресу UART 02h(A2A1A0=010)         Эти регистры односторонние, то есть в одни можно только записывать, в другие только читать данные.     2.Использование дополнительного адресного бита         Используют 7-ой бит регистра LCR-находящегося по адресу UART 03h(A2A1A0=011).         Этот бит называют DLAB, если DLAB=0, то для чтения/записи используется один регистр,         если DLAB=1, то для чтения/записи используется второй регистр.         Таких регистров пять:                 (THR & RBR),DLL — по адресу UART 00h(A2A1A0=000)                 DIM, IER — по адресу UART 01h(A2A1A0=001)
Таблица 3. Регистры UART.
адрес
DLAB
чтение/запись
Название регистра
00h
0
WR
THR(Transmit Holding Register)-регистр данных ожидающих передачи
FCR(FIFO Control Register)-регистр управления режимом FIFO
03h
x
RD/WR
LCR(Line Control Register)-регистр управления линией связи
04h
x
RD/WR
MCR(Modem Control Register)-регистр управления модемом
05h
x
RD/WR
LSR(Line Status Register)-регистр состояния линии связи
06h
x
RD/WR
MSR(Modem Status Register)-регистр состояния модема
07h
x
RD/WR
SCR(Scratch Pad Register)-регистр временного хранения
Рис.13 Функциональная схема UART PC16550.
THR-регистр данных ожидающих передачи(только для записи) (Transmit Holding Register)
Рис.14 Регистр THR (Адрес=00h, DLAB=0, WR)
        В этот регистр записывают байт данных, определённый как символ (от 5 до 8 бит) который будет передан в линию связи. Символ, принятый в THR передаётся далее в сдвигающий регистр младшем битом вперед (см. рис.5). В начало символа добавляется стартовый бит, в конец символа добавляется стоповый бит. Перед стоповым битом может находиться бит паритета. Если символ короче 8 бит, то старшие биты регистра THR игнорируются (не используются, хотя записываются в этот регистр). Регистр THR может принять всего один байт данных и передать его в регистр последовательного сдвига. В большинстве UART имеется режим FIFO, в котором данные загружаются не в THR, а в регистр FIFO. Например, UART PC16550 имеет регистр FIFO, который может принять 16 байт данных. Кроме этого у некоторых UART существует режим DMA, в этом режиме сдвигающий регистр заполняется байтами данных непосредственно из оперативной памяти без участия микропроцессора. Для указания того, что регистр THR пуст и в него можно загрузить очередной байт данных используют бит 5 регистра LSR. Этот бит называется THRE(Transmitter Holding Register Empty) -«регистр данных ожидающих передачи пуст». Если THRE=1, то в регистр THR можно посылать очередной байт данных, в режиме FIFO этот бит говорит о том, что регистр FIFO пуст и можно посылать следующий пакет байтов данных. Бит THRE может быть источником прерывания CPU.
RBR- буферный регистр приемника(только для чтения) (Receiver Buffer Register)
Рис.15 Регистр RBR (Адрес=00h, DLAB=0, RD)
        В этот регистр байты(символы) принимаются из приемного сдвигающегося регистра. Регистр RBR может принять только один байт из сдвигающего приемного регистра. Аналогично передающей части UART здесь есть регистр FIFO, который может принимать больше одного байта данных минуя регистр RBR. К моменту заполнения сдвигающего приёмного регистра регистр RBR должен быть освобожден для приема очередного байта, иначе произойдет ошибка переполнения. Освобождение регистра RBR происходит, когда данные из него читаются микропроцессором. О том, что символ потерян в результате переполнения сообщает бит 1 регистра LSR. Этот бит называется ОЕ (Overrun Error)-«ошибка переполнения», OE=1 означает что один из переданных символов потерян. О том, что байт готов к прочтению микропроцессором (т.е. полностью выгрузился из приемного сдвигающегося регистра или FIFO) сообщает бит 0 регистра LSR. Этот бит называется DR (Receiver Data Ready) -«Данные приёмника готовы». DR=1 говорит о том, что регистр RBR(или FIFO) содержит принятый байт и его необходимо прочитать, DR сбрасывается в ноль после прочтения регистра RBR микропроцессором. Это бит также может инициировать прерывание микропроцессора.
        В этом регистре находится старший байт делителя частоты деленного на 16. В микросхеме UART частота задающего кварца делится на делитель частоты(Decimal Divisor),который получается из двухбайтового числа (DIM,DLL) умноженного на 16. Таким образом делитель частоты задает скорость обмена данных через UART. Записью в регистры DIM и DLL старшего и младшего байта этого двухбайтового числа вы зададите скорость обмена СОМ-порта в бит/сек. Для кварца UART частотой f=1,8432 МГц, делитель частоты:16 считается по формуле:
D=115200/V, где V-скорость в бит/сек, D=делитель частоты:16
Для кварца UART частотой f=24 МГц, делитель частоты:16 считается по формуле:
D=1 500 000/V, где V-скорость в бит/сек, D=делитель частоты:16
Таблица 4. Делитель частоты для UART PC16550.
1,8432 МГц
24 МГц
Скорость, бит/сек
делитель:16
DIM
DLL
делитель:16
DIM
DLL
50
2304
09h
00h
30000
75h
30h
75
1536
06h
00h
20000
4Eh
20h
110
1047
41h
07h
13636
35h
44h
150
768
03h
00h
10000
27h
10h
300
384
01h
80h
5000
13h
88h
600
192
00h
C0h
2500
09h
C4h
1 200
96
00h
60h
1250
04h
E2h
1 800
64
00h
40h
833
03h
41h
2 000
58
00h
3Ah
750
02h
EEh
2 400
48
00h
30h
625
02h
71h
3 600
32
00h
20h
417
0h
A1h
4 800
24
00h
18h
312
01h
38h
7 200
16
00h
10h
208
00h
D0h
9 600
12
00h
0Ch
156
00h
9Ch
14 400
8
00h
08h
104
00h
68h
19 200
6
00h
06h
78
00h
4Eh
28 800
4
00h
04h
52
00h
34h
38 400
3
00h
03h
39
00h
27h
57 600
2
00h
02h
26
00h
1Ah
115 200
1
00h
01h
13
00h
0Dh
250 000
x
x
x
6
00h
06h
300 000
x
x
x
5
00h
05h
375 000
x
x
x
4
00h
04h
500 000
x
x
x
3
00h
03h
750 000
x
x
x
2
00h
02h
1 500 000
x
x
x
1
00h
01h
Как видно из таблицы 4, СОМ порт ПК (с UART 16550 и выше) может работать на скорости до 1,5Mb/s.
IER-регистр разрешения прерывания(чтение/запись) (Interrupt Enable Register)
Рис.18 Регистр IER (Адрес=01h, DLAB=0, RD/WR)
        Регистр разрешения прерываний дает разрешения определённым событиям вызывать прерывание микропроцессора. Бит 0. RxD_IЕ — если RxD_IЕ=1,то разрешено прерывание для приема данных,это прерывание возникает когда необходимо принять символ из регистра RBR (в режиме FIFO — прерывание по тайм-ауту).
Бит 1. TxD_IE — если TxD_IEЕ=1,то разрешено прерывание для передачи данных, это прерывание возникает когда передающий буфер пуст и необходимо загрузить байт в регистр THR.
Бит 2. RxL_IЕ — если RxL_IЕ=1,то разрешено прерывание при обрыве линии связи или ошибке в приёме данных, это прерывание возникает когда в регистре состояния линии связи LSR будут выставлены биты этих ошибок.
Бит 3. Mod_IЕ — если Mod_IЕ =1,то разрешено прерывание при изменении состояния любого из входных сигналов RST,CTS,DCD,RI, это прерывание возникает когда состояние входных сигналов COM-порта изменились.
        Чтобы минимизировать программное обеспечение, UART располагает по приоритетам прерывания в четыре уровня и делает запись этих прерываний в IIR. Четыре уровня прерывания располагаются в порядке приоритета условий прерывания заданных регистрами — RLS; RDR; THR; и MSR. Когда CPU обращается к IIR, UART замораживает все прерывания и указывает самое высокое приоритетное отложенное прерывание для CPU. Во время обработки прерывания, UART делает запись новых прерываний, но не изменяет их текущий признак, до полной обработки.
Бит 0. IP(Interrupt Pending)— если IP=1, то все прерывания обработаны. Если IP=0,то есть необработанные прерывания.
Бит 1. I_ID0(Interrupt ID Bit0)- нулевой бит идентификатора прерываний Бит 2. I_ID1(Interrupt ID Bit1)- первый бит идентификатора прерываний Бит 3. I_ID2(Interrupt ID Bit2)- второй бит идентификатора прерываний
Обрыв линии или ошибка на линии, сбрасывается прочтением регистра LSR
1
0
0
1
0
1
1
1
0
Второй
индикатор тайм-аута (за 4-кратный интервал времени символа не передано и не принято ни одного символа, хотя в буфере FIFO имеется, по крайней мере, один символ). Сброс выполняется чтением приемного буфера FIFO.
1
1
1
Бит 4..5.Зарезервированны
Бит 6. FE_ID0(FIFOs Enabled ID Bit0)- нулевой бит идентификатора режима FIFO Бит 7. FE_ID1(FIFOs Enabled ID Bit1)- первый бит идентификатора режима FIFO
Таблица 7. Идентификация режима FIFO
FE_ID1
FE_ID0
Режим
0
0
обычный режим работы, данные передаются побайтно через регистры THR и RBR.
0
1
1
0
режим FIFO для UART 16550.
1
1
режим FIFO для UART 16550A.
FCR-регистр управления режимом FIFO (запись) (FIFO Control Register)
Рис.20 Регистр FCR (Адрес=02h, WR)
        Это регистр используется только для записи, его данные расположены как в регистре IIR. Этот регистр используется, чтобы разрешить режимы FIFO, очистить буферы FIFO, задать уровень заполнения буферов FIFO, и выбрать тип DMA(прямого обращения к памяти).
Бит 0. TRFIFOE(Transmit And Receive FIFO Enable)— Запись 1 в этот бит допускает оба режима FIFO передатчика(XMIT) и приемника(RCVR). Сброс бита в 0 очистит все байты в обоих буферов FIFO. При изменении режима FIFO к 16450 и наоборот, буферы FIFO автоматически очищаются. Этот бит должен быть в 1, когда производится запись других битов регистра FCR, иначе они не будут запрограммированы.
Бит 1. RESETRF(Reset Receiver FIFO)-Запись 1 в этот бит очищает все байты в приемном буфере FIFO и сбрасывает его счетчик в 0. Сдвиговый регистр при этом не очищается. После этого 1 в этом бите сбрасывается в 0.
Бит 2. RESETTF(Reset Transmitter FIFO)- Запись 1 в этот бит очищает все байты в передающем буфере FIFO и сбрасывает его счетчик в 0. Сдвиговый регистр при этом не очищается. После этого 1 в этом бите сбрасывается в 0.
Бит 3. DMAE(DMA Enabled)- Запись 1 в этот бит приводит к изменению сигналов UART RxRDY и TxRDY с 0 к 1,при условии что FCR(bit0)=1. Эти аппаратные сигналы используются для организации правильной работы режима DMA в микропроцессорной системе.
Бит 6. ITL_ID0 (Interrupt Trigger Level ID bit0) — нулевой бит идентификатора триггера уровня прерывания. Бит 7. ITL_ID1(Interrupt Trigger Level ID bit1)- первый бит идентификатора триггера уровня прерывания. В этих двух битах задается идентификатор, который задает уровень при котором будет вырабатываться прерывание при приеме данных в режиме FIFO. Уровень задается количеством байт в приемном(RCVR) буфере FIFO.
Таблица 8. Идентификация тригера уровня прерывания
ITL_ID1
ITL_ID0
уровень прерывания, байт
0
0
01
0
1
04
1
0
08
1
1
14
LCR-регистр управления линией связи(запись/чтение) (Line Control Register)
Рис.21 Регистр LCR (Адрес=03h, RD/WR)
        Данный регистр служит для определения(задания) формата асинхронного обмена передачи данных. Также в этом режиме устанавливается бит DLAB, который позволяет программисту записывать и читать данные из нужных регистров.. Программист может не только записывать, но и читать содержимое регистра LCR. Способность чтения упрощает системное программирование и устраняет потребность в отдельной области в системной памяти для хранения характеристик линии.
Бит 0. SDB_ID0(Serial Data Bits ID0)- нулевой бит идентификатора количества бит в передаваемом символе. Бит 1. SDB_ID1(Serial Data Bits ID1)- первый бит идентификатора количества бит в передаваемом символе. С помощью этих битов задают количество бит в передаваемом или принимаемом символе.
Таблица 9. Количество бит в символе данных
SDB_ID1
SDB_ID0
количество бит в символе
0
0
5
0
1
6
1
0
7
1
1
8
Бит 2. STOP_B(Stop Bits)- Этот бит определяет число стоповых битов, переданных или полученных в каждом последовательном символе. Если бит STOP_B=0, то передается один стоповый бит. Если бит STOP_B=1, то стоповый бит равен двум для 6,7,8 битовых символов и полтора стоповых бита для 5-ти битовых символов. Приемник проверяет только первый стоповый бит, независимо от выставленных стоповых битов.
Бит 3. PAREN(Parity Enable) -Если PAREN=1, то разрешено использование бита паритета и данный бит вставляется между последним битом данных и стоповым битом. Если PAREN=0, то бит паритета не выставляется и не входит в состав передаваемого символа.
Бит 4. EVENPAR(Even Parity Select) — Бит выбора типа контроля паритета. Если EVENPAR=1, то происходит проверка на четность. Если EVENPAR=0, то происходит проверка на нечетность.
Бит 5. STICPAR (Sticky Parity)- Если STICPAR=0, то бит паритета бит генерируется в соответствии с паритетом выводимого символа. Если STICPAR=1, то постоянное значение контрольного бита: при EVENPAR=1 — нулевое, при EVENPAR=0 — единичное.
Бит 6. BRCON(Break Control)- Управляющий бит обрыва связи. Если BRCON=1, то вслучае возникновения перерыва в приеме данных, передатчик UART начнёт передавать в линию нули.
Бит 7. DLAB(Divisor Latch Access Bit)- Этот бит доступа к делителю частоты. Если DLAB=1, то можно обратиться к регистрам DIM, DLL в которых хранятся младший и старший байт делителя частоты :16.Если DLAB=0, то можно обратиться к регистрам THR,RBR,IER.
MCR-регистр управления модемом (запись/чтение) (Modem Control Register)
Рис.22 Регистр MCR (Адрес=04h, RD/WR)
        Этот регистр управляет интерфейсом модема или периферийным устройством.
Бит 0. DTR(Serial Data Bits ID0)(Data Terminal Ready)- Этот бит управляет выходным сигналом DTR (Готовность терминала данных). Когда бит DTR=1, вывод DTR UART устанавливается в логический 0, в IBM XT этот сигнал инвертируется буферным инвертором DS1488(см.рис.12) в логическую 1 т.е. U= +12в (сигнал DTR COM-порта считается включенным) Соответственно когда бит DTR=0, сигнал DTR COM-порта U= -12в логический 0 (сигнал DTR считается выключенным)
Бит 1. RTS(Request To Send )- Этот бит управляет выходным сигналом RTS (Запрос на передачу). Когда бит RTS=1, вывод RTS UART устанавливается в логический 0, в IBM XT этот сигнал инвертируется буферным инвертором DS1488(см.рис.15) в логическую 1 т.е. U= +12в (сигнал RTS COM-порта считается включенным) Соответственно когда бит RTS=0, сигнал RTS COM-порта U= -12в логический 0 (сигнал RTS считается выключенным)
Бит 2. OUT1(OUT1 Bit Control) — Управление вспомогательным выходом OUT1.
Бит 3. OUT2(OUT2 Bit Control) — Управление вспомогательным выходом OUT2.
Бит 4. LOOP(Loopback Mode Enable)-Бит режима диагностики. Если LOOP=0, то UART работает в обычном режиме. Если LOOP=1, то URAT работет в режиме диагностики с обратной связью, в этом режиме используются вспомогательные сигналы OUT1 и OUT2.
Бит 5..7. Зарезервированы.
LSR -регистр состояния линии связи (запись/чтение) (Line Status Register)
Рис.23 Регистр LSR (Адрес=05h, RD/WR)
        Данный регистр показывает состояние приемопередатчика.
Бит 0. DR(Receiver Data Ready) — Готовность данных приемника.DR=1 информирует о том, что данные приняты и загружены в регистр RBR или приемный буфер FIFO. Бит сбрасывается в ноль, когда все данные будут прочитаны CPU из регистра RBR или буфера FIFO.
Бит 1. OE(Overrun Error) — Бит ошибки переполнения. Бит указывает, что данные в регистре RBR не были прочитаны CPU прежде, чем следующий символ был передан в RBR, что привело к потере предыдущего символа. Бит устанавливается в OE=1 после обнаружения ошибки переполнения и сбрасывать всякий раз, когда SPU читает содержание регистра LSR.
Бит 2. PE(Parity Error) —Бит ошибки контрольного бита паритета.PE=1 если символ принят с ошибкой паритета.
Бит 4. BD(Break Detected) — индикатор обрыва линии (вход приемника находится в состоянии 0 не менее чем время посылки символа).
Бит 5. THRE(Transmitter Holding Register Empty) — регистр передатчика готов принять байт для передачи. В режиме FIFO указывает на отсутствие символов в FIFO-буфере передачи. Может являться источником прерывания.
Бит 6. TEMPT(Transmitter Empty Status) — регистр передатчика пуст (нет данных для передачи ни в сдвиговом регистре, ни в буферных регистрах THR или FIFO).
Бит 7. FIFOE(FIFO Error Status) —ошибка принятых данных в режиме FIFO (буфер содержит хотя бы один символ, принятый с ошибкой формата, паритета или обрывом). В не FIFO-режиме всегда 0.
MSR-регистр состояния модема (Modem Status Register)
Рис.24 Регистр MSR (Адрес=06h, RD/WR)
        Этот регистр позволяет CPU контролировать текущее состояние линий управления модема или периферийного устройства. В дополнение к этому , четыре бита (0..3) регистра MSR контролируют изменения сигналов на входах CTS,RTS,RI,DCD микросхемы и вырабатывают прерывание микропроцессора.
Бит 0. DCTS(Delta Clear To Send) — Изменение состояния сигнала CTS(очищен для передачи).Бит устанавливается в DCTS=1 при изменении сигнала CTS на входе микросхемы и сбрасывается при прочтении регистра MSR микропроцессором. При установке бита в 1 генерируется прерывание микропроцессора.
Бит 1. DDSR(Delta Data Set Ready) — Изменение состояния сигнала DSR(установка данных готова).Бит устанавливается в DDSR=1 при изменении сигнала DSR на входе микросхемы и сбрасывается при прочтении регистра MSR микропроцессором. При установке бита в 1 генерируется прерывание микропроцессора.
Бит 2. ТЕRI(Trailing Edge Of Ring Indicator) — Детектор заднего фронта сигнала RI(индикатор звонка). Бит устанавливается в TERI=1, когда сигнал на выводе микросхемы RI изменяет свой уровень с низкого на высокий. Бит сбрасывается в TERI=0 при прочтении регистра MSR микропроцессором. При установке бита в 1 генерируется прерывание микропроцессора.
Бит 3. DDCD(Delta Data Carrier Detect) — Изменение состояния сигнала DCD(обнаружен носитель информации).Бит устанавливается в DDCD=1 при изменении сигнала DCD на входе микросхемы и сбрасывается при прочтении регистра MSR микропроцессором. При установке бита в 1 генерируется прерывание микропроцессора.
Бит 4. CTS(Clear To Send) — Состояние линии CTS. Если CTS=1, то на вход CTS СОМ-порта подано напряжение +12в(сигнал CTS активен).Если CTS=0, то вход СОМ-порта подано напряжение -12В(сигнал CTS пассивен). В режиме диагностики этот бит эквивалентен биту RTS регистра MCR.
Бит 5. DSR(Data Set Ready) — Состояние линии DSR. Если DSR=1, то на вход DSR СОМ-порта подано напряжение +12в(сигнал DSR активен).Если DSR=0, то вход СОМ-порта подано напряжение -12В(сигнал DSR пассивен). В режиме диагностики этот бит эквивалентен биту DTR регистра MCR.
Бит 6. RI(Ring Indicator) — Состояние линии RI. Если RI=1, то на вход DSR СОМ-порта подано напряжение +12в(сигнал RI активен).Если RI=0, то вход СОМ-порта подано напряжение -12В(сигнал RI пассивен). В режиме диагностики этот бит эквивалентен биту OUT1 регистра MCR.
Бит 7. DCD(Data Carrier Detect) — Состояние линии DCD. Если DCD=1, то на вход DCD СОМ-порта подано напряжение +12в(сигнал DCD активен).Если DCD=0, то вход СОМ-порта подано напряжение -12В(сигнал DCD пассивен). В режиме диагностики этот бит эквивалентен биту OUT2 регистра MCR.
SCR-регистр временного хранения (чтение/запись) (Scratch Pad Register)
Рис.25 Регистр SCR (Адрес=07h, RD/WR)
        Регистр временного хранения, на работу UART не влияет, предназначен для временного хранения данных (в UART i8250 отсутствует).
1.13 Диагностический режим работы UART.
Режим диагностики UART позволяет проверить работоспособность СОМ-портов без подключения к ним периферийных устройств. Режим диагностики включается битом LOOP=1 регистра MCR. При этом внутри UART организуется аппаратная «заглушка»:
выход передатчика переводится в состояние логической единицы;
вход приемника отключается;
выход сдвигающего регистра передатчика соединяется со входом приемника;
входы DSR, CTS, RI, DCD отключаются от входных линий COM-порта и данные в них поступают из регистра MCR (биты RTS, DTR, OUT1, OUT2);
выходы управления модемом переводятся в пассивное состояние (логический ноль).
Аппаратная «заглушка» позволяет передавать и сразу принимать данные СОМ-порта, без каких либо подключений к нему. В результате этого возможно проверить работу сдвигающего регистра, отработку системы прерываний и т.д.
       
§2 Программирование COM-порта.
2.1. Программирование в MS-DOS.
    В MS-DOS программировать СОМ порты можно всем спектром программных средств: прямым кодом микропроцессора(assembler), функциями BIOS, средствами операционной системы, языками программирования высокого уровня.
    Перед записью байта данных в регистр передатчика необходимо убедиться в том, что регистр хранения передатчика свободен, то есть убедиться в том, что передача предыдущего символа завершена. Признаком того, что регистр передатчика свободен, является установленный бит 5(THRE=1) регистра состояния линии LSR.     Аналогично тому как это делается при передаче данных, перед вводом символа из порта приемника необходимо убедиться в том, что бит 0 регистра LSR установлен (т.е. DR=1). Это означает, что символ принят из линии и находится в буферном регистре приемника.
1.1.2. Программирование СОМ-порта с помощью функций BIOS.
    В BIOS имеются функции которые могут выполняться по команде программного прерывания микропроцессора INT 00h. INT 1Fh. Так как код этих функций находится в BIOS, то их выполнение возможно даже при отсутствии ОС на ПК. Кроме этого, функции BIOS работают по номерам СОМ портов, а не по адресу ввода/вывода, что существенно удобней.
Рассмотрим функции BIOS которые применяются для работы с СОМ портом:
Функции по прерыванию INT 14h
    Программа обработчик этого прерывания, как мы уже говорили, находится в BIOS по вектору 14h. BIOS представляет собой энергонезависимую память ПК, поэтому загружать программу обрабатывающую прерывание не надо, она всегда находится в памяти. Вызов функции осуществляется по номеру функции, который записывается в старший байт аккумулятора (AH). Пример: Рассмотрим функции вызываемые INT 14h:
INT 14h AH=00h -инициализация СОМ порта. Под инициализацией порта (также применяют термин «открытие») понимают установку всех его параметров: номер порта, длину символа, число стоп-бит, установку четности и скорость обмена.
Пример вызова функции: После выполнения функция возвращает выходные параметры :
выходные параметры INT14h AH=00h
регистр
старший
младший
AX
байт состояние линии LSR
байт состояние модема MSR
BX
CX
DX В качестве выходных параметром в регистр аккумулятора копируются регистры UART LSR(см.рис.23) и MSR(см.рис.24). Из выше сказанного видно, что работа с СОМ портом через функцию BIOS INT14h ограничена по скорости и по количеству бит в символе.
INT 14h AH=01h -запись символа в СОМ порт. При вызове этой функции происходит передача символа из регистра AL в порт с номером заданным в регистре DX.
входные параметры INT14h AH=01h
регистр
старший
младший
AX
01h
символ
BX
CX
DX
(n-1), где n-номер COM порта
После выполнения функция возвращает выходные параметры :
выходные параметры INT14h AH=01h
регистр
старший
младший
AX
байт состояние линии LSR
символ
BX
CX
DX
INT 14h AH=02h -чтение символа из СОМ порта. При вызове этой функции происходит чтение символа из приемного регистра СОМ порта, с номером заданным в регистре DX, в регистра AL .
входные параметры INT14h AH=02h
регистр
старший
младший
AX
02h
BX
CX
DX
(n-1), где n-номер COM порта
После выполнения функция возвращает выходные параметры :
выходные параметры INT14h AH=02h
регистр
старший
младший
AX
байт состояние линии LSR
символ
BX
CX
DX
INT 14h AH=03h — запрос состояния СОМ порта. При вызове этой функции происходит чтение регистров LSR и MSR из заданного UART.
выходные параметры INT14h AH=03h
регистр
старший
младший
AX
03h
BX
CX
DX
(n-1), где n-номер COM порта
После выполнения функция возвращает выходные параметры :
выходные параметры INT14h AH=03h
регистр
старший
младший
AX
байт состояние линии LSR
байт состояние модема MSR
BX
CX
DX
INT 14h AH=04h -расширенная инициализация СОМ порта. Применяется для моделей PS/2.
входные параметры INT14h AH=04h
регистр
старший
младший
AX
04h
установка прерывания
BX
установка паритета
установка стопового бита
CX
бит в символе
скорость, бит/сек
DX
(n-1), где n-номер COM порта
AL: 00h-нет прерывания, 01h-есть прерывание
BH: 00h-нет, 01h-нечетность, 02h-четность, 03h-стековая на нечетность, 04h-стековая на четность
BL: 00h-1 стоп,01h-2 стоп (1.5 для 5 бит на символ)
После выполнения функция возвращает выходные параметры :
выходные параметры INT14h AH=04h
регистр
старший
младший
AX
байт состояние линии LSR
байт состояние модема MSR
BX
CX
DX
INT 14h AH=05h — чтение/запись управляющего регистра модема MCR. Применяется для моделей PS/2.
Чтение регистра MCR
выходные параметры INT14h AH=05h
регистр
старший
младший
AX
05h
00h
BX
CX
DX
(n-1), где n-номер COM порта
После выполнения функция возвращает выходные параметры :
выходные параметры INT14h AH=05h
регистр
старший
младший
AX
BX
регистр MCR
CX
DX
Запись регистра MCR
выходные параметры INT14h AH=05h
регистр
старший
младший
AX
05h
01h
BX
регистр MCR
CX
DX
(n-1), где n-номер COM порта
После выполнения функция возвращает выходные параметры :
выходные параметры INT14h AH=05h
регистр
старший
младший
AX
байт состояние линии LSR
байт состояние модема MSR
BX
CX
DX
2.1.3. Программирование СОМ-порта с помощью средств MS-DOS.
Хотя СОМ порт и является основным коммуникационным средством ПК, в MS-DOS практически очень мало программных средств для эффективной работы с портом. Рассмотрим основные программные средства операционной системы MS-DOS:
Функции по прерыванию INT 21h
Существуют четыре функции программного прерывания INT 21h для работы с СОМ портом: 03h,04h,3Fh,40h. Перед началом описания работы этих функций ознакомимся с понятием «описатель». Описатель- это идентификатор последовательного устройства(объекта) или файла в системе MS-DOS. С точки зрения программы описатель это целое число, которое указывает на определённую программную структуру (объект), которая(который) обеспечивает работу этого устройства(объекта) с ОС. Кто «дружит» с Windows, знает насколько важную роль имеет описатель(дескриптор) в этой системе, но начало этого было в MS-DOS. В MS-DOS первые номера описателей отданы стандартным последовательным устройствам:
описатель
имя
устройство
0
CON
стандартное устройство ввода (клавиатура)
1
CON
стандартное устройство вывода (дисплей)
2
CON
стандартное устройство вывода ошибок (всегда CON)
3
AUX
вспомогательное устройство (по умолчанию COM1)
4
PRN
стандартный вывод на печать (по умолчанию LPT1)
Описатель номер 3 называется AUX и адрес ввода-вывода этого устройства находится в ячейках BIOS с адресами 40h,41h. Эти же ячейки определяют адрес ввода вывода СОМ1, если в эти ячейки записать число 2f8h, то устройством ввода-вывода по описателю 3 будет СОМ2. Таким образом, на описатель 3 (AUX) может быть назначено любое последовательное устройство.
INT 21h AH=03h -ввод символа из AUX. Эта функция ожидает ввода символа со стандартного вспомогательного устройства AUX
входные параметры INT21h AH=03h
регистр
старший
младший
AX
03h
BX
CX
DX После выполнения функция возвращает выходные параметры :
выходные параметры INT21h AH=03h
регистр
старший
младший
AX
символ
BX
CX
DX Ввод символов по этой функции не буферизируется и должен опрашиваться на готовность данных в UART. Для чтения очередного символа необходимо убеждаться что 5-й бит регистра LSR равен 1 (DR=1).
INT 21h AH=04h -запись символа в AUX. Эта функция записывает символ в стандартное вспомогательное устройство AUX
входные параметры INT21h AH=04h
регистр
старший
младший
AX
04h
BX
CX
DX
символ
Выходных параметров у этой функции нет.
INT 21h AH=3Fh -чтение данных через описатель.     При вызове этой функции читается количество символов записанных в регистре CX из устройства по описателю номер которого записан в регистре BX. Считанные данные сохраняются в буфере, первый элемент которого указан в DS:DX. После выполнения функции в регистре AX отражается количество полученных символов. Если CX=AX и флаг CF=0, то функция выполнена без ошибок.
INT 21h AH=40h -запись данных через описатель.     При вызове этой функции количество символов указанных в CX записываются в устройство по номеру описателя указанному в BX. Данные содержатся в буфере по адресу указанному в DS:DX. После вызова в регистр AX возвращается количество переданных символов.
Использование аппаратных прерываний
    Так как процесс последовательной передачи данных протекает медленно, можно выполнять его в фоновом режиме, используя прерывания по окончанию передачи или приема символа. Напомним, что порту COM1 соответствует аппаратное прерывание IRQ4 с вектором INT 0Ch, а COM2 — IRQ3 с вектором INT 0Bh. Для разрешения прерываний необходимо установить биты регистра управления прерыванием IER (UART), соответствующие тем прерываниям, которые нужно обрабатывать. Когда происходит прерывание, программа-обработчик, расположенная по указанному вектору прерывания, должна проанализировать причину прерывания, прочитав регистр, идентифицирующий прерывания IIR. Не забудьте, что в конце обработчика аппаратного прерывания должна находится последовательность команд: Чтобы была возможность обработки нескольких прерываний.
Использование команд MS-DOS
В MS-DOS имеется ряд встроенных команд для работы и настройки СОМ порта. Команды можно вставлять в пакетные файлы с расширением .bat для исполнения их по заданному сценарию.
Команда MODE Команда Mode предназначена для изменения режима работы периферийных устройств. Формат:
Пример использования команд MS-DOS для управления Сом портом:
Запишите в него строку текста и закончите строку Enter
Запустите файл Test.bat
В результате исполнения пакетного файла Test.bat строка записанная в файле data.txt будет передаваться в СОМ1 со скоростью 9600 бод, с проверкой на четность, 8 битами в символе, с одним стоп битом. В этом пакетном файле мы использовали три MS-DOS команды:
Mode— настройка режима СОМ порта
Type— вывод данных
>— перенаправление вывода
В Windows также возможно исполнение пакетных файлом, но параметры команд необходимо записывать несколько иначе: Кроме того, в Windows строку заканчивать символом Enter не обязательно.
2.2. Программирование в Windows.
    Программирование в операционных системах Windows 2000 и выше отличается от программирования в MS-DOS. Во-первых, COM1-COM4 в этих системах не имеет стандартных адресов ввода вывода и стандартных номеров прерываний, Windows автоматически распределяет ресурсы для COM-портов. Поэтому если вы захотите программировать СОМ-порт через порты ввода-вывода, вам понадобиться, сначала определить ресурсы которые занимает СОМ-порт на данном ПК. Во-вторых, Windows не дает прямой возможности работать с портами ввода-вывода, это возможно только при программировании на уровне ядра ОС (что тоже не просто). В принципе такой вариант программирования возможен, то есть пишите драйвер ядра для работы с портами ввода-вывода и программу для работы с СОМ-портом работающем через этот драйвер.
    Но, не всё так плохо. Естественно разработчики Windows предусмотрели возможность работы с коммуникационными портами через пользовательский интерфейс Windows. Этот способ, наверное, даже проще чем программирование Сом-порта через порты ввода-вывода. В Windows к Сом-порту можно обратиться как к файлу(потоку). Достоинство этого способа очевидны: вам не надо думать о типе микросхемы UART, о номерах портов ввода-вывода и о номерах прерываний. ОС незаметно для программиста работает с аппаратной частью коммуникационного порта.
2.2.1. Программирование СОМ-порта с помощью API функций Windows.
Попробуйте, создать в проводнике папку или файл с именем «СОМ1», сделать это не получится. ОС Windows зарезервировала имена от СОМ1 до СОМ9 для работы с СОМ-портами.
Рассмотрим подробнее программирование СОМ-порта с помощью API-функций:
1. Для работы с СОМ-портом первое что надо сделать, это открыть порт. Сделать это можно с помощью API функции CreateFile из библиотеки «kernel32» : Эта функция создает новый объект и присваивает ему описатель, по которому с этим объектом можно будет работать. Пример описания функции CreateFile на языке Си:
Пример декларирования функции CreateFile на языке VB6:
Declare Function CreateFile Lib «kernel32» Alias «CreateFileA» (ByVal lpFileName As String, ByVal dwDesiredAccess As Long, ByVal dwShareMode As Long, ByVal lpSecurityAttributes As Long, ByVal dwCreationDisposition As Long, ByVal dwFlagsAndAttributes As Long, ByVal hTemplateFile As Long) As Long
Чтобы открыть СОМ-порт вы должны выполнить эту функцию в коде своей программы, с заданными входными параметрами. Результатом работы этой функции будет 32-битное число handle(описатель), по которому вы сможете обращаться к созданному функцией программному объекту связанному с выбранным СОМ-портом.
Параметры функции CreateFile:
lpFileName— имя СОМ-порта. Может принимать значения: «СОМ1″,»СОМ2″,»СОМ3″,»СОМ4″,»СОМ5″,»СОМ6″,»СОМ7″,»СОМ8″,»СОМ9»,если более одной цифры, то в формате «\\.\СОМ47»
dwDesiredAccess— режим доступа к файлу.Это четырехбайтовое число, которое задает различные режимы доступа к файлу. Нас интересует только режим чтение и запись, этот режим задаётся числом: С0000000hex в СИ можно вместо числа записать константу с именем «GENERIC_READ|GENERIC_WRITE».
dwShareMode— режим совместного доступа. СОМ-порты ПК не поддерживают совместный доступ, только одна программа может открыть порт. Поэтому этот параметр должен быть равен 0(режим запрещен).
lpSecurityAttributes— атрибуты защиты файла. Для СОМ-портов не используется поэтому всегда равны 0 («NULL»).
dwCreationDistribution— управление режимом автосоздания файла. Это четырехбайтовое число, которое для СОМ портов всегда должно быть 00000003hex («OPEN_EXISTING»)
dwFlagsAndAttributes— задает атрибуты создаваемого файла.Это четырехбайтовое число, которое для СОМ портов всегда должно быть 0 («NULL»)
hTemplateFile— описатель файла «шаблона» по которому создавался файл.Для СОМ-портов не используется поэтому всегда равен 0 («NULL»).
2. После открытия СОМ порта можно передавать и принимать данные через этот СОМ-порт. Для передачи данных используется API функция WriteFile из библиотеки kernel32. Для приёма данных используется API функция ReadFile из библиотеки kernel32.
Пример описания функции ReadFile и WriteFile на языке Си: Пример декларирования функции ReadFile и WriteFile на языке VB6:
Declare Function ReadFile Lib «kernel32» (ByVal hFile As Long, lpBuffer As Any, ByVal nNumberOfBytesToRead As Long, lpNumberOfBytesRead As Long, lpOverlapped As Long) As Boolean
Declare Function WriteFile Lib «kernel32» (ByVal hFile As Long, lpBuffer As Any, ByVal nNumberOfBytesToWrite As Long, lpNumberOfBytesWritten As Long, lpOverlapped As Long) As Boolean
С помощью этих функций из программного кода можно читать или записывать данные в указанный буфер. Пример чтения 255 байт из порта в массив на языке VB6:
Dim File_Buffer(255) As Byte ‘приемный буфер Dim Com_Byte_Read As Long ‘количество принятых байт Dim Retval As Boolean Retval = ReadFile(Com_Handle, File_Buffer(0), 255, Com_Byte_Read, 0)
3. После окончания работы с портом его нужно закрыть. Закрытие порта осуществляется API функцией CloseHandle из библиотеки kernel32.
Пример описания функции CloseHandle на языке Си: Пример декларирования функции CloseHandleна языке VB6:
Declare Function CloseHandle Lib «kernel32» (ByVal hObject As Long) As Boolean
Пример закрытия порта на языке VB6:
Dim Com_Exit as Boolean Com_Exit = CloseHandle(Com_Handle)
4. Настройка режима работы сом порта осуществляется с помощью структур данных, которые представляют из себя набор переменных разного типа. Структуруы загружаются и читаются с помощью API функций. Рассмотрим основные структуры для настройки режимов работы сом порта:
Структура DCB определяет основные настройки СОМ порта. В ней содержиться реальная информация из регистров UART. Для работы с DCB структурой используют API функции из библиотеки kernel32.:
BuildCommDCB— заполняет указанную структуру DCB значениями, заданными в строке управления устройством. Строка управления устройством использует синтаксис команды mode MS-DOS. SetCommState— конфигурирует коммуникационное устройство согласно данным указанным в структуре DCB. Функция повторно инициализирует все аппаратные и управляющие настройки, но не опорожняет очереди вывода или ввода данных. GetCommState— читает DCB структуру.
Данная структура задает временные параметры(задержки и таймауты) работы СОМ порта и определяет поведение функций ReadFile и WriteFile. Для работы с COMMTIMEOUTS структурой используют API функции из библиотеки kernel32.:
SetCommTimeouts— устанавливает параметры простоя для всех операций чтения и записи для заданного коммуникационного устройства. GetCommTimeouts— извлекает данные о параметрах простоя для всех операций чтения и записи на заданном коммуникационном устройстве.
Структура которая сообщает статус СОМ порта после обнаружения ошибки связи. Для работы с COMMSTAT структурой используют API функции из библиотеки kernel32.:
ClearCommError— Функция ClearCommError извлекает информацию об коммуникационной ошибке и сообщает о текущем состоянии коммуникационного устройства. Функция вызывается тогда, когда происходит ошибка обмена информацией и сбрасывает флажок ошибки устройства, чтобы включить в работу дополнительные операции ввода и вывода данных (I/O).
Структура которая сообщает информацию о свойствах коммуникационного устройства. Для работы с COMMPROP структурой используют API функции из библиотеки kernel32:
GetCommProperties — Функция GetCommProperties извлекает информацию о коммуникационных характеристиках указанного коммуникационного устройства.
2.2.2. Программирование СОМ-порта с помощью внешних компонент ActiveX.
    Программирование работы СОМ порта с помощью внешних компонент один из наиболее распространённых и простых способов работы с СОМ портом. Внешний компонент это программный модуль, который выполняет заданные функций и обладает всеми параметрами программного объекта. Внешний компонент разрабатывается по технологии ActiveX, что позволяет ему встраиваться в любые проекты программ, написанных на языках программирования поддерживающих эту технологию. Практически все современные средства разработки программ поддерживают технологию ActiveX. Вы можете создавать проект своего приложения на C++, Delphi, VB, 1C,MS-Office и для работы с СОМ портом подключить готовую внешнюю компоненту. При этом вам не нужно разбираться, как работает СОМ порт, это делает программный объект внешней компоненты, разработчик только использует свойства, методы и события этого объекта. Технология ActiveX является логическим продолжением dll, DDE, OLE, COM технологий.
    Внешняя компонента(элемент ActiveX) является законченным программным продуктом и обладает всеми авторскими правами. Поэтому разработчику необходимо помнить, что подключая элемент ActiveX, вы подключаете код чужой программы к своему проекту, и соответственно часть вашей программы будет написана разработчиком компоненты, что требует оплаты. Внешних компонент для работы с СОМ портами написано большое количество. Необходимо определиться какую компоненту, и на каких условиях вы будете применять в своём проекте.
Внешние компоненты оформлены в виде файлов и имеют расширение .ocx либо более раннее .dll. Для того чтобы внешнюю компоненту можно было использовать в проекте, она должна быть зарегистрирована в ОС. Регистрация компоненты осуществляется записью ключей в реестр ОС, с помощью специальной программы или команды «Зарегистрировать» из контекстного меню файла.
Для рассмотрения возьмём известную компоненту MSCOMM32.ocx написанную Microsoft и включенную в пакет разработчика Visual Studio Enterprise. Подключите MSCOMM32.ocx к вашему проекту. После подключения компоненты к проекту вы сможете работать с объектом MSComm1.
Основные своиства объектаMSCOMM1:
MSComm1.CommPort— задает номер Сом порта
MSComm1.Settings— задает основные параметры порта
MSComm1.PortOpen— открывает и закрывает порт
MSComm1.Output -передает данные в порт
MSComm1.Input— читает данные из порта
MSComm1.RTSEnable— управление сигналом RTS
MSComm1.DTREnable— управление сигналом DTR
MSComm1.CTSHolding— состояние сигнала CTS
MSComm1.DSRHolding— состояние сигнала DSR
MSComm1.DCDHolding— состояние сигнала DCD
Пример работы с СОМ портом на VB: В данной программе при нажатии кнопки 1 открывается порт СОМ1 на скорости 9600 бит/сек, без проверки паритета, 8 бит в символе, с одним стоповым битом. В переменную DATA_S считывается строка символов из приёмного буфера СОМ1 и в передающий буфер СОМ1 выводится слово «Hello». После этого включается сигнал DTR и порт закрывается.
Как видно из приведенного примера работа с Сом портом, при использовании элемента ActiveX, достаточно проста. Кроме указанных свойств компонент MSCOMM32.ocx имеет большое количество других свойств, событий и методов, которые полнофункционально реализуют работу СОМ порта в ОС Windows.
Приложение 1
Примеры программирования COM-порта в Win32 с помощью API функций.
Реализация простых функций com-порта:    -открытие порта    -настройка порта    -запись текста в порт    -чтение текста из порта    -закрытие порта
Напишем программу реализующие эти функции на различных языках программирования: VB6, MASM32, C
Исходник на VB6 COMAPIvb v.1.00   Скачать    Исходник на MASM32 COMAPIas v.1.00   Скачать    Исходник на C, скомпилирован на MS VC6++ COMAPIc v.1.00   Скачать   
Рис.28 Окно проекта COMAPI
Программа работает следующим образом:     -при нажатии кнопки Open port окрывается сом-порт СОМ1     -настройка СОМ1: 1200 бод, 8 бит на символ, с 1 стоповым битом, без проверки паритета     -при нажатии кнопки Write port , стока записанная в Text2(Hello World!) посылается в СОМ1     -при нажатии кнопки Read port, в Text1 помещается строка из приемного буфера СОМ1     -при нажатии кнопки Close port, порт СОМ1 закрывается