Serial Communication (직렬통신, 시리얼 통신)¶

ideal하게는 parallel communication이 serial communication보다 빠르다 고 할 수 있지만, 실제로는 여러 connecton간의 동기화가 쉽지 않고, 동작 clock이 매우 빨라지면서 사실상 주변기기와의 연결은 serial 방식이 대세 이다.
(실제로 parallel 방식보다 serial 방식들이 주변기기 를 연결할 때 보다 고속이다.)

parallel 방식은 사실상 cpu나 microprocessor 내부에서 데이터를 주고받는 방식이고, 주변기기와의 연결은 serial 방식이 대세임.
HDD도 과거 IDE의 경우 parallel방식이었으나 현재는 SATA (Serial Advanced Technology Attachment)로 다 전환된 상태임.

Recommended Standard 232, 422, 485¶

컴퓨터로 특정 장치의 제어 등을 하거나, embeded system과 통신을 하는 경우도 serial communication이 주로 사용된다. 네트워크가 발전하면서 LAN (synchronous serial communication의 한 종류)에 연결된 장비들도 늘어나고 있지만, 통신망에 항상 연결되지 않은 경우, 산업계에서 주로 사용하는 방식은 아직도 RS-232, RS-422, RS-485 들 (Asynchronous serial communication이다. 특히, RS-232는 1960년대에 개발되었지만 현재까지도 단거리 통신(컴퓨터와 장비간의 1:1연결을 위한)으로 매우 많이 사용되고 있다.

위의 RS-232, RS-422등은 디지털 신호를 직렬전송하는 UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)의 신호를 전송하기 위한 전기적인 신호 방식에 대한 규약임.

RS(Recommended Standard)-232는 1960년대에 Electronic Industries Alliance (미국전자산업협회)가 제안한 규격으로 115.2kbps 이하의 속도로 15m 이내의 단거리에서 장비간(컴퓨터 포함)의 serial communication을 1:1로 수행(point-to-point) 한다. D-SUB 9핀 커넥터 (D-SUB9)이 주로 사용되었으나, 최근 컴퓨터에서는 USB포트 만이 제공되는 경우가 많아서, USB 포트에서 동작하는 경우가 대부분(이 경우, USB to Serial Converter가 사용됨.)이다. 학교에서 마이크로컨트롤러 실습 등의 경우 주로 사용되는데 이는 가쉽게 구현 및 사용 가능하면서도 안전정인 성능을 보여주기 때문이다. 실제로 3개의 선(TxD, RxD, GND; 2,3,5번핀)만 사용(즉, full duplex임)하며, 아주 간단한 프로그래밍으로 쉽게 통신이 가능하다.

실제로 RS-232에서 사용하는 pin의 갯수는 3개가 아닌 9개이다. 하지만, TxD, RxD, GND를 제외하고는 이전에 사용되던 modem 등의 연결을 위한 pin들이거나 flow control을 위한 것들인데... 현재 RS-232는 거의 바로 옆에서 1:1로 간단하게 통신하기 위해서 사용되다보니, 나머지 핀들은 사용되지 않는 경우가 많다. (요즘은 modem보기도 정말 어렵다).
즉, 현재 RS-232는 Single-Ended (Differential signaling이 아닌 하나의 선으로 신호를 보낸다는 것)이면서 Null-Modem 방식으로 사용되는 경우가 대다수이다 (물론 이는 개인적인 의견임을 강조한다. 고급 기술자 분들의 경우나 다른 분야의 경우는 다를 수 있다.).

RS-422는 1976년에 제안된 규격으로 기존의 RS-232보다 빠른 전송 속도(10Mbps) 와 먼 전송거리(1.5km) 를 자랑한다. 또한 1대의 master와 10개의 receiver로 구성되는 Multi-drop 방식으로 여러 장비 간의 통신 이 가능하다 (RS-232는 1:1연결 밖에 안됨). 하지만 장거리 전송을 위해 Differential signaling 을 도입하여 필요한 wire 수는 증가함.

RS-485는 보다 많은 장비들이 연결되도록 만들어진 규격으로 기존 RS-422 규격을 따르는 device도 제어할 수 있다. 동일한 회선으로 32대의 장비들이 연결되어 통신할 수 있다는 장점을 지니고 확장성도 우수함. 단, full-duplex를 지원하는 RS-232와 RS-422와 달리, RS-485는 half-duplex가 표준 결선방식으로 지원됨.

요약하면, RS-232, RS-422, RS-485 모두 산업계의 자동화 부분에서 많이 사용되는 방식이며 Asynchronous Serial Communication의 대표적인 예라고 볼 수 있다. 학교에서 공부할 때는 주로 RS-232를 다루게 될 확률이 제일 높다.

RS-232는 워낙 많이 사용되다 보니, bluetooth 등의 방식으로 무선연결에서도 이를 emulate해서 사용하는 경우가 많다.

사용하는 pin의 수 증가는 전선 케이블의 가격 상승으로 이어진다. 어떤 분들은 구리가격이 정말 비싸고, 반도체는 모래에서 만든다면서 핀수를 줄이는 게 중요하다고 말 할 정도로, IC의 값이 내려가는터라... RS-232는 IoT가 대중화되어도 살아남을 거 같다.

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)¶

직렬로 장비간에 비동기로 데이터를 전송하는 IC를 가르키며, TTL Level로 데이터가 전송된다.
대표적 제품으로 MAX232가 있으나, 워낙 많이 사용되기 때문에 최근의 대부분 마이크로컨트롤러 나 임베디드 프로세서 내부에 통합되어 있다.
RS-232는 UART를 통신기기레벨로 구현한 것으로 -12~+12V Level로 동작한다. (UART에 RS-232를 직접 연결하면 큰일난다.)

• USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter)도 있으나 대부분 직렬통신이라고 하면 UART를 가르킴.

다음 그림은 UART에서 7bit 길이의 특정 데이터들을 여러 Baud rate로 보내는 방식을 파형으로 나타낸 것임.

• Data Chunk(데이터 부분, start다음에서 end 전)에서 LSB가 먼저 보내짐.
• osilloscope에선 어떻게 보일지 생각해볼것 (아래에 나옴).

RS232로 전송되는 경우 직접 연결해서는 voltage문제가 있음. 이를 처리해주는 기능이 있는 소자가 중간에 있어야 함. USB로 연결되는 경우에도 적절한 converter 필요.

• Arduino : 5V TTL Level
• Raspberry Pi : 3.3V TTL Level

FTDI FT232, Silicon Labs CP2102 및 Prolific PL2303 등이 USB를 serial port로 인식하게 해주는 converter임.

다음은 PL2302 의 사진. 이 모듈을 컴퓨터의 USB단자에 연결하고, 이 모듈의 TX는 상대 디바이스의 RX에 연결하고 이 모듈의 RX는 상대 디바이스의 TX에 연결하며 GND는 GND에, 상대 디바이스의 VCC는 디바이스 스펙에 맞게 5V 또는 3.3V에 연결한다.

• 참고 url

Mark-Space Signaling¶

Mark와 space는 Telegraph 시스템에서 사용되던 용어이며, serial communication의 많은 부분이 teletype에서 아이디어를 얻어서 만들어진 터라 아직도 serial communication에서 쓰이고 있다.
Mark는 high level(1)을 space는 low level(0)을 의미하며 종이에 기재된다면, mark는 종이에 output이 남는 것이고, space는 종이에 인쇄되는 거 없이 비어 있는 것을 의미(no-mark)한다.

RS-232에서 mark에서 space로의 transition이 발생하면, idle상태에서 data전송이 시작됨을 알리는 START로 간주한다. 이후 약속된 길이의 bit로 구성된 데이터가 전송되고, 이후 END에 해당하는 1 또는 1.5, 2bit의 space가 전송되면서 데이터 전송이 끝나고 다시 idle상태로 들어가게 된다.

• 위 그림에서 데이터는 7bit에 해당함. 7bit를 data chunk의 길이라고 부르며, 8bit, 5bit등이 될 수도 있다.
• serial communication에서 보내는 데이터의 bit수 (Data chunk의 길이)는 반드시 약속되어 있어야 한다.

Serial communication에서는 각각의 bit가 정해진 시간으로 구별 되어지며 이 시간을 정하는 게 Baud rate임.

결국 serial communication은 time division multiplexing 을 통해 데이터를 직렬로 전송한다.

다음 그림은 RS-232로 문자 A를 전송한 경우임.

• Stop bit는 2 bit임.
• Parity bit는 사용하지 않음.
• Data chunk 길이는 8bit임.
• 하나의 데이터를 보낸 구간을 frame이라고 부름.

Serial communication을 위해서는 위의 그림에서 보이듯이 stop bit의 길이라던지, partity bit사용여부등이 설정되어야 함.

다음 그림은 serial communication을 위한 putty 터미널 설정임.

• Speed (baud) : 초당 몇 개의 symbole을 보내느냐를 나타내는 것이 Baud rate인데, 대부분 0,1을 전송하는터라 초당 보내는 bit로 생각해도 큰 문제 없음. 이는 9600 bit를 초당 보내는 것임.
• Data bits : Data chunk의 길이. 이 설정에선 8 bit.
• Stop bits : stop 신호의 길이로 여기서 1로 함. (위의 다른 설명에 맞추려면 2로 해야함)
• Parity : odd, even, mark, space, none 을 고를 수 있으며 에러를 찾아내는 Parity비트의 사용모드(어느 모드라도 1bit 초과의 에러검출은 안됨)를 지정함. 보통 none을 이용해도 큰 문제 없음.
• even, odd : parity비트 포함하여 1의 갯수가 짝수 또는 홀수가 되도록 parity bit의 값을 결정.
• mark, space : parity bit가 1 또는 0으로 추가.
• none : parity bit를 사용하지 않음. 일반적으로 단거리에서 RS-232통신 중에는 그리 오류가 발생하지 않기 때문에 none도 많이 사용됨.
• Flow control : RS-232의 pin이 9개인 이유가 이들 flow control을 위한 것인데, 보통 단순한 예제를 수행하는 경우는 None을 선택함.

RS-232 연결단자 설명¶

DTE and DCE¶

RS-232는 modem을 사용하던 시절 만들어진 규약이라 다음의 네트워크 구성에 대한 용어의 개념을 알아야 각 연결선의 역할이 이해가 됨.

DTE (Data Terminal Equipment)

• 컴퓨터나 Routr, multiplexer등과 같이 데이터를 생산하거나 수신하는 장치를 의미함.
• 사용자에게 가까운 위치에 놓이는 장치.

DCE (Data Communication Equipment)

• Data Circuit-terminating Equipment라고도 불림.
• 네트워크 쪽에 위치하는 장비로 통신 네트워크에 연결되는 장비.
• modem이나 network interface card등을 가르킴.
• DTE와의 데이터 전송 동기화를 위한 clock을 제공.

RS-232 Connector¶

1번 CD

(Data) Carrier Detect,DCD`로 기재되기도 함. DCE가 상대편 modem등에 전화선을 통해 접속이 완료된 경우 상대편 modem이 carrier signal을 보내주는데 이 신호를 검출했음을 DTE에 알려주는 신호선으로 통신 라인이 설정됨을 의미(전화가 걸렸을 때 High, 끊어지면 Low. 끊기 위해서 Low로 설정하면 2초후 전화 끊김.). (DCE송신, DTE수신)

2번 RxD

Rx라고도 하는데, 데이터가 들어오는 신호선임.(DCE송신, DTE수신)

3번 TxD

Tx라고도 하는데, 데이터가 나가는 신호선임.(DCE수신, DTE송신)

4번 DTR

Data Terminal Ready, DTE가 DCE에게 데이터 송수신이 필요함을 알리는 신호선으로 통신 포트를 초기화한 직후 이 신호가 출력됨.(DCE수신, DTE송신)

5번 GND

그라운드.

6번 DSR

Data Set Ready, DCE가 DTE에게 데이터 송수신 준비가 되었음을 알리는 신호선으로 modem 등이 DTR 신호를 받고 상태 체크 후 통신할 준비가 되었음을 아리기 위해 이 신호를 출력.(DCE송신, DTE수신)

7번 RTS/RTR

• Request To Send (half-duplex) : 컴퓨터 등의 DTE (Data Terminal Equipment)가 modem 등의 DCE (Data Communication Equipment)에게 데이터를 보내겠다고 알리는 신호선.(DCE수신, DTE송신)
• Ready To Receive (full-duplex) : DTE의 버퍼가 충분하여 DCE가 보내는 데이터를 받을 수 있음을 DCE에게 알림. 만일 버퍼가 다 차면, low로 설정하며, 이 경우 DCE는 상대편에게 데이터를 보내지 말라고 연락하는 방식으로 flow control용임. (DCE수신, DTE송신)

8번 CTS

• Clear To Send (half-duplex) : DCE가 DTE에게 데이터를 받을 준비가 되었음을 알리는 신호선으로 RTS를 받고 modem이 DTE로부터 데이터를 받을 수 있음을 알리는 것이며 이후 DTE는 TxD를 사용할 수 있음.(DCE송신, DTE수신)
• Clear To Send (full-duplex) : modem의 버퍼가 충분하여 DTE로부터의 데이터를 받을 수 있음을 알림(high). 만약 버퍼가 가득 차거나 상대방이 데이터 전송을 하지 말라고 하는 경우에는 low가 됨. RTS와 함께 flow control용임. (DCE송신, DTE수신)

9번 RI

Ring Indicator, 상대편 modem이 통신을 하기 위해 modem으로 보낸 신호를 수신했음을 DCE가 DTE에게 보내는 신호선.(DCE송신, DTE수신)

RS-232 Cable¶

컴퓨터(DTE)와 Modem(DCE)간의 전화선 연결 등으로 인해 사용되는 CD, DTR, DSR은 Null modem의 경우 의미가 없다. 때문에 연결을 아예 안하던지, 이 3개를 connector에서 서로 연결해버려서 (상대방과의 연결이 아닌 connector pin들을 묶는 것) 사용하는 경우도 있다.

RTS와 CTS는 flow control에 관여하는 핀들인데, RS-232의 경우 hardware적인 flow control을 하지 않는 경우가 많다. 때문에 역시 연결을 아예 안하던지, connector 상에서 서로 연결해버리는 경우도 많다.

이를 반영하여 컴퓨터와 RS-232를 인터페이스로 제공하는 장비와 연결은 다음과 같음.

하지만, arduino나 rasberry 등에 연결하는 경우, 또는 단순한 장비와의 연결 connection은 다음과 같이 3개의 연결이면 끝남 (Single ended and full duplex).

다른 serial interface¶

• SPI
• I2C
• TWI
• OneWire