CHƯƠNG 1 GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG

GIỚI THIỆU: Sơ đồ các lớp cơ bản xây dựng cho quá trình liên kết dữ liệu giữa 2 đối tượng sử dụng: Mục đích chính của luận văn này không nhằm thực hiện một ứng dụng điều khiển cụ thể mà

Chương 1:

GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG

I GIỚI THIỆU:

Sơ đồ các lớp cơ bản xây dựng cho quá trình liên kết dữ liệu giữa 2 đối tượng sử dụng:

Mục đích chính của luận văn này không nhằm thực hiện một ứng dụng điều khiển cụ thể mà tạo nên một ứng dụng mới trong giao tiếp dữ liệu giữa hai

Tập lệnh Frame dữ liệu RS-232

USER 1

Lớp vật lý

Quản lý truyền tin

Liên kết dữ liệu

Dữ liệu

Lớp vật lý

Quản lý truyền tin Liên kết dữ liệu

Dữ liệu

Chương trình ngươi sử dụng

Chương trình người sử dụng

Xử lý giao tiếp thiết bị

đối tượng là máy tính và khối vi xử lý Vì thế, chương trình người sử dụng, liên kết giữa hai đối tượng sử dụng- user 1và user2 ( tức chương trình Demo-Kit thực hiện trong phần cuối chương trình ) không phải là trọng tâm mà chỉ là một ứng dụng cụ thể của đề tài Vì thế, nó chỉ xây dựng các dạng sóng vào ra một cách đơn giản, mang ý nghĩa mô phỏng cho những gì thực hiện được trong việc xây dựng chương trình

Kết quả mong muốn của luận văn là xây dựng được một môi trường thuận lợi cho quá trình trao đổi thông tin giữa hai đối tượng sử dụng Hay nói khác hơn, đây là một tầng đệm về ngôn ngữ giao tiếp, một quá trình trung gian giúp cho việc liên kết dữ liệu được diễn ra một cách trôi chảy theo mong muốn của người sử dụng Các lớp cơ bản được xây dựng trong hệ thống này là: lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu (datalink ), lớp quản lý truyền tin và sau cùng là lớp dữ liệu

- Lớp vật lý: là các yếu tố đặc trưng bởi mức điện áp hay dòng điện cho các ngõ vào ra Tiêu biểu cho lớp này là các phương tiện như thiết bị điện (dây dẫn, chân IC…) hay các chuẩn giao tiếp giúp cho lớp liên kết dữ liệu được thực hiện Một trong các thủ tục protocol trong liên kết dữ liệu đơn giản nhất cho lớp này là sử dụng chuẩn giao tiếp RS-232 trong truyền thông nối tiếp

- Lớp liên kết dữ liệu: lớp này quan tâm đến các dạng truyền dữ liệu (đồng bộ hay bất đồng bộ), tốc độ sử dụng, kiểm tra và sửa lỗi, chế độ phát lại (echo)… đây là phần trọng tâm của một chương trình liên kết dữ liệu, xây dựng Protocol cho phần này là thiết lập các thủ tục liên kết và truy xuất dữ liệu

- Lớp quản lý truyền tin: lớp này có nhiệm vụ quản lý dữ liệu (ghi nhận và truy xuất dữ liệu từ các vùng địa chỉ của các tín hiệu vào ra theo định nghĩa của tập lệnh), phần giới thiệu tập lệnh được thực hiện trong chương 5

- Lớp dữ liệu: lớp này đảm nhận vai trò ghi nhận các giá trị dữ liệu tại đầu mỗi user, bao gồm các dạng tín hiệu điều khiển như dạng xung, dạng mức và tín hiệu dạng A/D

Vấn đề cần quan tâm chính của chúng ta là xây dựng một chuẩn cho tầng liên kết dữ liệu (các thủ tục protocol)

I PROTOCOL:

1 Khái niệm:

Protocol cho tầng liên kết dữ liệu là một phương thức hay thủ tục truyền thông được đặt ra mà một qui trình truyền nhận thông tin phải tuân theo Nó bao gồm tập hợp đồng nhất các qui tắc điều hành nhằm đảm bảo sự chính xác của một hệ thống hoặc mạng trong quá trình trao đổi thông tin

Trước khi tìm hiểu về protocol của tầng liên kết dữ liệu một cách chi tiết, chúng ta xem qua một số kỹ thuật sử dụng để thực thi hoặc mô tả một protocol Theo lý thuyết, kiểm tra giá trị của một quá trình hoạt động nhằm chắc rằng trong quá trình hoạt động của hệ thống sẽ không có một điều kiện không mong muốn nào hoặc các trạng thái bất thường xảy ra khi protocol hoạt động “break down” (ví dụ như khi rơi vào một vòng lặp vô tận hoặc gặp phải một trường hợp mà tất cả các hoạt động đều bị dừng và hệ thống bị khóa “locks up” )

Với mục đích minh họa những kỹ thuật kiểm tra và mô tả khác nhau này, chúng ta xét một tầng liên kết dữ liệu đơn giản bán song công: stop–and–wait và tự động lặp lại yêu cầu như một ví dụ.Về cơ bản protocol này quản lý hoạt động của hai trạm ( được xem là đồng nhất ) tại mỗi đầu của một liên kết dữ liệu Protocol này bao gồm một trạm ( đầu “1” ) gởi một frame dữ liệu mang một dãy số đến một trạm khác ( đầu “2” ) Frame dữ liệu này sẽ chứa thêm vào một gói thông tin khác của dữ liệu thực tại Kết thúc việc truyền có một vùng đệm nhận, nơi mà các gói dữ liệu này được chứa từ computer chủ cục bộ hoặc cuối cùng là lưu trữ theo ưu tiên trong một frame dữ liệu và bắt đầu truyền qua datalink Kể cả sau khi truyền dữ liệu trong vùng đệm vào “1” , các dữ liệu giống nhau cũng được giữ trong vùng đệm cho đến khi có thông báo đã nhận được từ một đầu khác ( đầu “2” ) mà khung dữ liệu chứa gói dữ liệu này đã nhận được thành công

Điều kiện sau cùng (nhận thành công 1 frame dữ liệu) được cho biết bởi đầu trạm 2,đầu này gởi frame dãy số của một frame hợp lệ được nhận sau cùng trở về từ trạm 1 như một phần của frame dữ liệu kế bắt đầu gởi từ “2” sang “1”

Ví dụ : Nếu đầu 1 vừa gởi một frame đến đầu 2 nó sẽ không được phép gởi frame kế ( chứa một gói dữ liệu mới ) cho đến khi nó nhận được một frame từ đầu 2 mang theo thông tin trả lời đã nhận tốt Nếu đầu 1 không nhận được thông báo này trở về từ đầu 2 trong vòng một khoảng thời gian nghỉ (timeout) được định trước , nó sẽ truyền lại frame gởi đến đầu 2 và hy vọng trong thời

gian này nó nhận được thông báo đã nhận đúng từ đầu 2 Và nếu không thì sau vài lần lặp lại (được định trước ) mà đầu “1” vẫn không nhận được thông báo nhận đúng từ đầu “2” nó xem như đường truyền bị lỗi và thông báo ra ngoài

2 Xây dựng Protocol:

Xây dựng một protocol cho quá trình trao đổi dữ liệu trong trường hợp mạch

vi xử lý đóng vai trò slave và máy tính (PC) đóng vai trò master trong quá trình truyền nhận thông tin

a) Cấu trúc frame dữ liệu:

Trong chế độ hoạt động này khối vi xử lý không có yêu cầu gởi cho PC mà chỉ trả lời kết quả theo yêu cầu nhận được từ PC tuân theo qui tắc của tập lệnh được xây dựng trong luận văn này Một Protocol được đặt ra cho liên kết dữ liệu với một frame truyền được chứa các byte qui định như sau :

Bốn byte đầu của frame truyền được gọi chung là các byte control fiels bao gồm :

- Một byte đầu tiên là byte header : là ký tự qui định nhằm đánh dấu cho đầu mỗi frame truyền

- Một byte mã ID là mã số thứ tự của frame truyền mỗi khi có một yêu cầu mới cho vi xử lý (mã ID được đánh số liên tục từ 0-99 và trở về 0) Mã ID này sẽ mang một ý nghĩa quan trọng cho việc mở rộng đề tài luận văn sau này (kết nối nhiều frame truyền liên tiếp)

- Một byte control fiel : đây là byte chức năng để kiểm tra thông tin cho mỗi frame truyền Byte control fiel được định nghĩa như sau :

+ 5bit đầu có giá trị tùy định (có thể được sử dụng khi mở rộng đề tài này nhằm dùng vào việc tăng biến điều khiển )

+ bit b0 : kiểm tra nội dung frame truyền

b0=0 : frame truyền có dữ liệu kèm theo (số byte data >0 )

b0=1 : frame truyền không có dữ liệu Trường hợp này xảy rakhi frame được gởi nhằm mục đích nhắc lại nội dung frame gởi vừa rồi

+ bit b1 : kiểm tra lần gởi của một yêu cầu từ PC

b1=0 : frame được gởi lần đầu (gởi 1 yêu cầu mới cho vi xử lý)

b1=1 : frame gởi lại (mang cùng một nội dung với chuỗi DATA trước đó)

+ bit b2 : bit này chỉ được gởi đi từ vi xử lý để báo với PC kết quả của lần truyền vừa rồi

b2=0 : dữ liệu gởi từ PC đến vi xử lý nhận đúng

b2=1 : dữ liệu gởi từ PC đến vi xử lý bị lỗi

- 1 byte length : chỉ số byte của chuỗi data cộng một byte “↵” kết thúc frame truyền

- Các byte data : mang thông tin yêu cầu của master (PC) đối với slave (vi xử lý) dựa trên qui tắc tập lệnh Chuỗi data bao gồm :

ADDR ADDR ↵

Hai byte đầu chứa địa chỉ (được định nghĩa theo tập lệnh) và cuối cùng phải là kí tự ‘↵’

b) Xây dựng protocol:

Với frame truyền được định nghĩa như trên ta thiết lập một protocol cho quá trình giao tiếp dữ là:

- Khối PC luôn đóng vai trò của một master, nghĩa là nó có quyền quyết định cho việc trao đổi dữ liệu có xảy ra hay không, và quyết định những yêu cầu cần thực thi đối với khối vi xử lý Khối vi xử lý luôn đóng vai trò của một slave; trong quá trình hoạt động, nó phải chờ chỉ được quyền gởi tín hiệu trả lời mỗi khi nhận được yêu cầu từ PC Do các tác vụ trong chương trình được thực hiện song song theo hệ thời gian thực (multitasking), nên đôi khi khối vi xử lý có thể gởi tín hiệu trả lời ngay khi yêu cầu từ PC gởi đến chưa được xử lý xong (nếu thời gian xử lý vượt quá khoảng thời gian quét tối đa qui định cho 1 tác

vụ) Khi đó, khối vi xử lý sẽ tạo nên một frame truyền trả về PC, không mang theo nội dung trả lời cho yêu cầu của PC mà chỉ có các byte control fiels với mục đích thông báo kết qua vừa nhận được từ PC là đúng hay sai (nhờ vào bit b2 của byte control fiel)

- Nếu trong một khoảng thời định trước mà PC chưa nhận được tín hiệu trả lời từ vi xử lý, nó sẽ gởi tiếp một frame khác Frame này chỉ gồm các byte control fiels mà không mang theo yêu cầu mới cho vi xử lý nhằm mục đích nhắc lại frame vừa truyền Khi nhận được frame này, khối vi xử lý kiểm tra quá trình xử lý trước đó thực hiện xong chưa và trả lời lại cho PC

- Nếu sau vài lần gởi mà PC vẫn không nhận được trả lời từ vi xử lý thì xem như đường truyền bị lỗi Nếu đường truyền bị lỗi hoặc có thông báo lỗi từ

vi xử lý gởi về thì PC sẽ gởi một frame truyền mới mang đầy đủ thông tin ban đầu

Mã ID của frame truyền được đặt ra nhằm mục đích để mở rộng chương trình sau này Nếu trong trường hợp truyền nhận chuỗi dữ liệu có độ dài quá lớn hoặc truyền nhận file, ta không thể truyền một lần trên một frame mà phải cắt

ra thành nhiều frame truyền Khi đó, việc đánh mã ID chính xác sẽ giúp cho việc kết chuỗi dữ liệu nhận về không bị xáo trộn Qui tắc đánh mã ID là nó chỉ được tăng dần sau mỗi lần trao đổi dữ liệu thành công, tức PC phải nhận được trả lời từ vi xử lý theo đúng yêu cầu mà nó gởi đến và kết thúc một chu trình liên kết dữ liệu

III TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾP:

Ta có thể thực hiện truyền dữ liệu giữa máy tính và vi xử lý theo nhiều chuẩn khác nhau Vì trong luận văn này sử dụng đến việc thu phát dữ liệu theo kiểu nối tiếp nên cần phải khái quát vài nét về các chuẩn truyền thông

Truyền thông nối tiếp là việc thu phát dữ liệu ở dạng chuỗi các xung điện – gọi là các bit Hiệp hội điện tử công nghiệp (EIA) đưa ra các chuẩn truyền thông khác nhau như : RS 232-C, RS-422, RS-423, RS-485, RS-449,v.v Ký hiệu

RS là viết tắt của Recommended Standard, nghĩa là tiêu chuẩn khuyến cáo

Việc truyền dữ liệu nối tiếp theo chuẩn RS-232 có ưu điểm hơn truyền song song là mức điện áp hoạt động là +12V và –12V, khoảng cách truyền xa hơn, ít nhiễu hơn

Việc trao đổi dữ liệu diễn ra trên hai đường dẫn TxD và RxD, mức tín hiệu trên chân ra RxD tùy thuộc vào đường dẫn TxD và thường nằm trong khoảng –12V đến +12V, các bit dữ liệu được đảo ngược lại Mức cao nằm giữa –3V và –12V, mức thấp nằm giữa +3V và +12V Ở trạng thái tĩnh, trên đường dây có điện áp là –12V

Một chuỗi dữ liệu truyền đi được bắt đầu bằng một bit khởi đầu, tiếp theo đó là các bit dữ liệu, bit thấp đi trước Số bit dữ liệu nằm trong khoảng 5 đến 8 bit, tiếp đó là bit kiểm tra chẳn lẻ và cuối cùng là bit kết thúc (stop bit) Tốc độ truyền được thiết lập bằng tham số Baudrate, là số bit truyền đi trong 1 giây, thông thường là 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 và 19200

Việc thiết lập các thông số truyền nối tiếp được thực hiện bằng cách thay đổi các giá trị trong các thanh ghi phục vụ truyền nối tiếp

Bản đồ thanh ghi nội của bộ thu phát nối tiếp 8250 (không đồng bộ).

Register name Code COM

1 COM2 COM3 COM4 Function Transmitter holding

register

THR 3F8H 2F8H 3E8H 2E8H OUTPUT

Receiver data register RDR 3F8H 2F8H 3E8H 2E8H INPUT

Baud rate divisor (LSB) BRDL 3F8H 2F8H 3E8H 2E8H OUTPUT

Baud rate divisor

(MSB) BRDH 3F9H 2F9H 3E9H 2E9H OUTPUT

Interrupt enable

register

IER 3F9H 2F9H 3E9H 2E9H OUTPUT

Interrupt ID register IID 3FAH 2FAH 3EAH 2EAH INPUT

Line control register LCR 3FBH 2FBH 3EBH 2EBH OUTPUT

Modem control register MDC 3FCH 2FCH 3ECH 2ECH OUTPUT

Line status register LST 3FDH 2FDH 3EDH 2EDH INPUT

Modem status register MSR 3FEH 2FEH 3EEH 2EEH INPUT

1 Thanh ghi điều khiển đường truyền (Line Control Register):

Bit cao của thanh ghi này gọi là bit chốt truy xuất hệ số chia Nếu bit này được đặt lên 1 thì giá trị ở thanh ghi cơ sở được truy xuất làm byte thấp của thanh ghi hệ số chia chọn tốc độ truyền, và giá trị ở thanh ghi cơ sở +1 sẽ được truy xuất làm byte cao của thanh ghi hệ số chia chọn tốc độ truyền Nếu bit này được xóa về 0 thì thanh ghi cơ sở sẽ thành thanh ghi đệm thu phát

7 6 5 4 3 2 1 0

Bit 0 Bit

1 00 : 5 bit data ; 01 : 6 bit data10 : 7 bit data ; 11 : 8 bit data

Bit 2 0 : 1 bit stop

1 : 1,5 hay 2 bit stop Bit 3 0 : không kiểm tra parity

1 : kiểm tra parity Bit 4 1 : kiểm tra parity chẵn

0 : kiểm tra parity lẻ Bit 5 1 : nếu bit 4 = 1; 0 : nếu bit 4 = 0 Bit 6 Cho phép cấm đường truyền nối

tiếp

1 : ngõ ra bị xoá trắng ; 0 : cấm Bit 7 1 : chọn hệ số chia;

0 : bộ đệm thu, phát

2 Thanh ghi điều khiển MODEM:

Thanh ghi điều khiển MODEM dùng để đặt giao thức bắt tay khi sự truyền thông sử dụng MODEM

7 6 5 4 3 2 1 0

Bit 0 Data terminal ready

1 : DTR active; 0 : DTR inactive

1 : RTS active; 0 : RTS inactive Bit 2 Output 1 (spare signal)

1 : OUT 1 : active; 0 : OUT 1 inactive Bit 3 Output 2 (interrupt enable signal)

1 : Communication interrupt active

0 : Communication interrupt inactive

1 : Transmitter output looped back to receiver register

0 : Normal operation Bit:

Bit 5,6,7

000

3 Thanh ghi trạng thái đường dây (Line Status Register):

Báo cho máy tính biết thông tin, trạng thái của dữ liệu truyền đi

7 6 5 4 3 2 1 0

Bit 0 1 : Có dữ liệu trong bộ đệm nhận Bit 1 1 : Overrun error : dữ liệu bị chồng Bit 2 1 : sai parity

Bit 3 1 : Framing error ( bit stop không hợp

lệ) Bit 4 1 : Báo ngắt (đường truyền trống ) Bit 5 1 : Thanh ghi phát trống

Bit 6 1 : Thanh ghi dịch và thanh ghi phát

trống

0 : Thanh ghi dịch còn chứa dữ liệu Bit 7 0

4 Chuẩn RS-232:

Chuẩn RS-232 lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1962 do hiệp hội kỹ thuật điện tử EIA (Electronics Industries Association) như là chuẩn giao tiếp truyền thông giữa máy tính và một thiết bị ngoại vi (modem, máy vẽ, mouse, máy tính khác,……)

Cổng giao tiếp RS-232 là giao diện phổ biến rộng rãi nhất Người dùng máy tính PC còn gọi cổng này là COM 1, còn COM 2 để tự do cho các ứng dụng khác Giống như cổng máy in, cổng nối tiếp RS-232 được sử dụng một cách rất thuận tiện cho mục đích đo lường và điều khiển

Bit:

Việc truyền dữ liệu qua RS-232 được tiến hành theo cách nối tiếp, nghĩa là các bit dữ liệu được gửi đi nối tiếp nhau trên một đường truyền dẫn Trước hết, loại truyền này có thể dùng cho những khoảng cách lớn hơn, bởi vì các khả năng gây nhiễu nhỏ đáng kể hơn là dùng cổng song song Việc dùng cổng song song có một nhược điểm đáng kể là cáp truyền dùng quá nhiều sợi, và vì vậy rất đắt tiền Hơn nữa tín hiệu nằm trong khoảng 0 - 5V tỏ ra không thích ứng với khoảng cách lớn

Cổng nối tiếp RS không phải là một hệ thống Bus, nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thức điểm nối điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với nhau Một thành phần thứ ba không thể tham gia vào cuộc trao đổi thông tin này

Cổng Com 9 chân

Bảng sắp xếp chân của cổng nối tiếp ở máy tính:

9 chân 25 chân Chức năng

1

2

3

4

5

6

7

8

9

8 3 2 20 7 6 4 5 22

DCD _ Data Carrier Detect (Lối vào) RxD _ Receive Data (Lối vào)

TxD _ Transmit Data (Lối ra) DTR _ Data Terminal Ready (Lối ra) GND _ Ground (Nối đất)

DSR _ Data Set Ready (Lối vào) RTS _ Request to Send (Lối ra) CTS _ Clear to Send (Lối vào)

RI _ Ring Indicator (Lối ra)

1 2 3 4 5

6 7 8 9