Comprendere i protocolli seriali

Esempi di protocollo seriale

I protocolli seriali sono utilizzati in una grande varietà di applicazioni. I tre principali protocolli seriali utilizzati per applicazioni generiche sono UAR,, I²C e SPI..

Una categoria speciale di protocolli seriali sono quelli utilizzati nell’industria automobilistica, come CAN, LIe FlexRay. Questi protocolli sono stati progettati per soddisfare i requisiti impegnativi dei veicoli, come fornire un funzionamento affidabile a un mix di velocità sia basse sia alte e in un ambiente rumoroso.

Caratteristiche dei protocolli seriali

Anche se i dettagli di implementazione differiscono tra i protocolli, tutti i protocolli seriali hanno quattro caratteristiche di base, che sono importanti anche per l’analisi e la decodifica dei dati seriali:

• Livelli: come le tensioni sono utilizzate per rappresentare 0 o 1
• Temporizzazione: quanto spesso sono inviati i bit (tempo dei bit)
• Framing: come i bit sono organizzati in gruppi e il ruolo di ogni bit o gruppo di bit
• Protocollo: quali messaggi sono scambiati in quali circostanze

Livelli

Prima di eseguire qualsiasi tipo di decodifica digitale, dobbiamo essere in grado di distinguere gli 1 e gli 0. In altre parole, come sono determinati i valori dei bit dai livelli di tensione? Un approccio semplice sarebbe quello di definire che una tensione “bassa” è uguale a zero e una tensione “alta” è uguale a uno. In effetti, è così che funzionano alcuni protocolli seriali.
I protocolli seriali utilizzati in ambienti difficili, come l’automotive, spesso utilizzano una tensione differenziale, poiché i segnali differenziali tendono a essere più immuni al rumore. Differenziale significa che uno 0 o un 1 è definito in base alla differenza tra due tensioni, piuttosto che rispetto alla massa.

Nota: Le sonde differenziali sono molto utili per queste misure.

Temporizzazione

Definire i livelli di tensione “0” e “1” non è sufficiente per determinare quali bit si stanno ricevendo. Inoltre, è importante comprendere quanto velocemente sono generati i bit o, in altre parole, qual è il “tempo di bit” o “bit rate”.
Per decodificare i dati seriali, il ricevitore o lo strumento deve utilizzare lo stesso bit rate del trasmettitore.

Framing

I protocolli seriali organizzano tipicamente i bit nei cosiddetti frame. I singoli bit o gruppi di bit nel frame hanno significati definiti. Per decodificare correttamente i frame, è necessaria una certa conoscenza di questa struttura.
Per esempio, quando si decodifica il protocollo seriale UART è importante sapere che lo stato di inattività della linea è un livello di tensione alto. Una transizione da alto a basso è un “bit di inizio” che indica l’inizio del frame. Inoltre, è necessario comprendere quanti bit di dati leggere, così come il fatto che c’è un bit di stop ad alto livello di tensione che termina il frame, seguito da un ritorno allo stato inattivo. Conoscendo la struttura del frame, i dati dell’utente possono essere estratti dal flusso di bit seriale, oltre a ricavare altre informazioni sulla trasmissione.

Protocollo

L’ultimo aspetto da considerare può essere chiamato “protocollo”. Una definizione generica di protocollo è un insieme di regole per codificare e scambiare informazioni. Possono esistere regole per come e quando i dati sono inviati, e i tipi e i significati dei messaggi scambiati tra gli endpoint.
Un semplice protocollo sarebbe quello di inviare i dati non appena sono disponibili, indipendentemente dal fatto che il ricevitore sia pronto per i dati o meno. Un protocollo più sofisticato sarebbe quello di utilizzare qualche meccanismo per chiedere il permesso prima di inviare i dati. Un protocollo ancora più sofisticato coinvolgerebbe il mittente in attesa di una conferma esplicita che i dati sono stati ricevuti correttamente prima di inviare altri dati o inviare nuovamente i dati mancanti o errati.

Decodifica dei protocolli seriali

In passato, i protocolli seriali erano tipicamente decodificati utilizzando speciali tester di protocollo dedicati. Oggi il metodo più comune è l’utilizzo di un moderno oscilloscopio a memoria digitale, con uno o più canali. Dopo aver scelto il protocollo seriale di interesse, i livelli, la temporizzazione e il framing devono essere configurati per corrispondere al segnale seriale analizzato. Utilizzando queste informazioni, l’oscilloscopio produce risultati sotto forma di livelli di tensione grezzi, bit rilevati e frame il cui contenuto può essere visualizzato in binario, esadecimale o ASCII. La decodifica seriale sugli oscilloscopi spesso include anche funzionalità aggiuntive come il trigger su simboli specifici all’interno del frame, l’assegnazione di etichette leggibili dall’uomo a modelli definiti dall’utente e l’esportazione di dati.