Микросхемы универсальных асинхронных приемо-передатчиков фирмы EXAR

Компания Exar расположена во Фремонте (Fremont), Калифорния, США. Она занимается разработкой, производством и продажей высококачественных аналоговых и аналого-цифровых кремниевых устройств для мировой телекоммуникационной инфраструктуры. Потребителями продукции Exar являются такие известные фирмы, как Alcatel, Cisco, Hewlett-Packard, Lucent, Nokia и Tellabs. Одним из направлений деятельности компании является производство микросхем универсальных асинхронных приемо-передатчиков (UART).

Устройства UART являются легким и удобным средством организации последовательного интерфейса между двумя компьютерными системами. Они обеспечивают преобразование параллельного потока данных в последовательный на передающей стороне и обратную операцию на приемной стороне в соответствии с требованиями промышленных стандартов асинхронной передачи данных: EIA-232 (RS-232), EIA-449, EIA-422/423 и EIA-485 (рис.1).

Рисунок 1. Передача данных с помощью UART.

Фирма Exar, являясь лидером в области производства микросхем UART, воплощает в них самые последние, в том числе патентованные решения. Благодаря этому её продукция обладает большой функциональной насыщенностью и разнообразием. Вот некоторые существенные характеристики и особенности этих устройств (рис.2):

Рисунок 2.

Многоканальность

Линия продукции включает одно-, двух-, четырех- и восьмиканальные устройства, позволяя удовлетворить требования потребителя к организации интерфейса, стоимости, потребляемой мощности.

Повыводная совместимость

Exar стремится обеспечивать совместимость своей продукции с аналогичными приборами в индустрии, что облегчает пользователю процесс разработки и переход к новым устройствам. Как правило, более старшие микросхемы в линейке имеют полную совместимость по количеству и расположению выводов с предшественниками (рис.3). Кроме того, многие микросхемы Exar полностью взаимозаменяемы с аналогичной продукцией других фирм (таблица 1).

Рисунок 3. Карта совместимости микросхем UART фирмы EXAR.

Поддержка шины PCI

Помимо выпуска традиционных UART с 8-ми битной шиной Intel или Motorola, Exar производит 32-битные UART для работы с PCI шиной. Передача данных по 32-разрядной шине PCI происходит в 16 раз быстрее, чем по 8-разрядной шине ISA. При использовании восьмиканальной реализации возможно уменьшение количества кристаллов UART с трех до одного, что существенно снижает конечную стоимость. Наличие регистра глобального источника прерывания для всех каналов позволяет уменьшить количество обращений центрального процессора к UART, что приводит к повышению производительности вычислительной системы.

Объем буфера FIFO

Объем буфера FIFO в микросхемах Exar может быть объемом от 1 до 128 байт с различными возможностями организации прерываний. Увеличение объема способствует снижению количества требуемых прерываний. К примеру, объем страницы при чтении и записи в устройствах Flash-памяти составляет 128 байт. Микросхема UART XR16C85X с объемом FIFO 128 байт, может накапливать в буфере целую страницу данных, повышая эффективность передачи без дополнительных прерываний.

Автоматическое управление потоком данных

Микросхемы Exar серий ST16C580, ST16C65x, XR16C85x, XR16L275x, XR16C285x, XR17C15x и XR16L78x имеют автоматическое аппаратное управление потоком данных RTS/CTS, что предотвращает потерю данных и необходимость в повторных передачах. Также запатентованный Exar алгоритм автоматического программного управления потоком данных уменьшает загрузку центрального процессора и предотвращает переполнение при приеме и передаче, что увеличивает пропускную способность системы.

Низкое рабочее напряжение

Exar впервые в индустрии выпустила одноканальный (XR16L654) и двухканальный (XR16L275X) UART, работающие при напряжении от 2,25В до 5,5В. Микросхемы способные работать при таком малом напряжении питания прекрасно подходят для работы в системах с батарейным питанием и в различных наладонных устройствах. Помимо этого, в режиме «сна» эти микросхемы имеют чрезвычайно малый ток потребления, что продлевает время работы устройства до следующего подзаряда.

Автоматическое двухпроводное полудуплексное управление опросом с программируемой круговой задержкой

Компания Exar впервые представила уникальную возможность поддержки двухпроводной полудуплексной связи по интерфейсу EIA-485 (RS-485). Изменение выходного логического состояния EIA-485 трансивера включает входы в самом конце передачи данных и затем начинается прием данных от удаленной станции. Программируемая круговая задержка может быть введена перед изменением выходного состояния, чтобы скомпенсировать задержку распространения сигнала в кабеле в случае его большой длины или загруженности. Эта возможность уменьшает время опроса и делает ненужным сложное программное кодирование.

Наиболее простым среди 8-битных микросхем UART является прибор ST16C450. Это устройство полностью совместимо с индустриальным стандартом 16450 и обладает такими возможностями:

• раздельное управление приемом и передачей;
• программно устанавливаемый генератор скорости (диапазон от 50 Bps до 1,5 Mbps);
• сигналы управления модема (-CTS, -RTS, -DSR, -DTR, -RI, -CD);
• программируемая длина передаваемых символов (5,6,7,8);
• генерация и обнаружение битов четности;
• внутренняя петля диагностики;
• низкий потребляемый ток (1,2 мА тип.);

EXAR производит двух и четырехканальные версии этого прибора (ST16C454 и ST16C454).

Микросхемы UART делятся на несколько групп в зависимости от размера буфера FIFO: 1, 16, 32, 64 и 128 байт.

Базовым представителем семейства микросхем с однобайтным буфером FIFO являются серии ST16C1450 и ST16C1451 (далее 145Х). Эти приборы имеют совместимость с SSI 73M1550 и SSI 73M2550 на уровне выводов, программную совместимость с INS8250 и NS16450, однако имеют большую скорость передачи и меньшее время доступа. Серия 145Х обладает расширенными функциональными возможностями UART, включая работу с сигналами модема и программное задание скорости передачи вплоть до 1,5 Mbps. Наличие регистров статуса позволяет пользователю получать информацию об ошибках и текущем состоянии. Четырехуровневая приоритетная система прерываний и функции взаимодействия с модемом могут настраиваться внешним программным обеспечением согласно требованиям пользователя. Серия 145Х доступна в корпусе PLCC/DIP-28 или TQFP-48. Возможна работа как с кварцевым резонатором (кроме корпуса PLCC/DIP-28), так и от источника внешних тактовых импульсов. Важно отметить, что серия 145Х является несовместимой с MS Windows. Для обеспечения совместимости с этой операционной системой следует использовать UART ST16C450, описанный ранее.

Группа микросхем с буфером FIFO размером 16 байт (серия 16С55Х), включает приборы с различным числом каналов. Отличительной особенностью этого семейства, помимо величины буфера, является работа в режиме полного дуплекса. Серия 16С55Х совместима с 16С45Х.

UART ST16C650A помимо стандартных функций, присущих кристаллам ST16C450/550/650, с которыми эта микросхема аппаратно совместима, имеет ряд дополнительных возможностей:

• 32-х байтные буферы приема-передачи FIFO;
• программирование Xon/Xoff;
• напряжение питания от 2,9В до 5,5В;
• скорость передачи данных 4 Mbps при напряжении 5В и 2 Mbps при напряжении 3,3В;
• автоматическое управление направлением при работе в полудуплексном режиме RS485;
• возможность выбора интерфейса: стандартный 16550 режим (STD) или «PC» режим (интерфейс с шиной ISA IBM PC);
• шифратор/дешифратор сигналов инфракрасных устройств стандарта IrDA версии 1.0;
• коды идентификации устройства и его последней ревизии;
• режим «сон» с индикатором выхода из этого режима.

Микросхема ST16C650A специально создана для работы с высокоскоростными модемами и общедоступным сетевым окружением, которое требует высокой скорости обработки информации. Увеличение производительности в ST16C650А реализовано путем применения буферов FIFO большого объема. Это позволяет центральному процессору работать с большим количеством сетевых задач в пределах выделенного временного промежутка. К примеру, UART ST16C550 c 16-байтным FIFO принимает 16 байт данных в течение 1,53 мС (при длине передаваемых символов 11 бит, включая старт/стопные биты на скорости 115,2 kbp). В результате центральный процессор должен обслуживать буфер приема FIFO через интервалы в 1,53 мС. Однако при использовании ST16C650A, благодаря вдвое большему буферу FIFO это время увеличится в два раза, что дает возможность центральному процессору реже выполнять операции по обслуживанию буфера приема.

Области применения микросхем UART весьма широки. Можно выделить следующие направления.

Телекоммуникации

Микросхемы UART компании Exar широко используются в различном телекоммуникационном оборудовании для передачи данных, управления оборудованием и его диагностики. Многоканальные микросхемы UART были специально разработаны для систем передачи информации с высокой пропускной способностью. В их число входят серверы, хабы, маршрутизаторы, системы компьютерной телефонии, серверы удаленного доступа, беспроводные базовые станции и репитеры. Восьмиканальные UART XR16L788 (8-битная шина) и XR17C158 (шина PCI) имеют ряд инноваций, таких как отдельный вывод глобального прерывания и глобальные регистры источников прерываний. Это позволяет ускорить процедуру обработки прерывания благодаря генерации прерывания в момент, когда во всех восьми каналах завершен процесс передачи/приема информации.

Промышленность

Двух-, четырех- и восьмиканальные UART часто используются в индустриальных приложениях, например в процессах управления и автоматизации производства. Сеть управления процессом производства обычно основана на двухпроводном полудуплексном интерфейсе RS-485, потому что он обеспечивает высокую скорость передачи информации, высокую помехоустойчивость и низкую стоимость. UART фирмы Exar типов XR16L788/784 и XR17C158/154/152 (PCI) являются весьма подходящими для использования с этим интерфейсом, поскольку поддерживают шинные интерфейсы как Intel так и Motorola, а также имеют уникальную логику автоматического управления направлением в полудуплексном режиме RS-485 с программируемой круговой задержкой для длинных или нагруженных передающих кабелей.

Характерные особенности микросхем DUART XR88C92/192 и XR68C92/192 ориентируют их на использование в «многоточечных» системах промышленного оборудования. XR88C92 и XR88C192 работают с шинным интерфейсом Intel, а XR68C92 и XR68C192 с шинным интерфейсом Motorol`ы. Эти микросхемы полностью поддерживают многоточечный режим (режим «9-го бита»). В этом режиме выводы передачи и приема данных соединяются с линиями драйвера и приемника RS-485 или RS-422. Многоточечный режим задействует дополнительный бит для бита тэга адреса/данных, что позволяет программному обеспечению полностью загружать буфер FIFO без ожидания передачи адресного тэга, в результате экономится процессорное время и ускоряется полный цикл опроса.

Торговые терминалы (Point-of-Sale, POS)

Торговые хост-системы часто связываются с множеством удаленных терминалов, таких как информационные экраны, банкоматы, точки самообслуживания на заправочных станциях и пр. Подобная коммуникационная среда может иметь от 8 до 32 портов, использующих множество микросхем UART для создания RS-232 или RS-485 интерфейсов. Кристаллы ST16C554/654, XR16C854, XR16L788 и XR17C158, имеющие буфер FIFO от 16 до 128 байт являются подходящим решением для подобных применений. Их использование предоставляет максимальную гибкость при программировании и гарантирует быструю, эффективную и надежную передачу данных от удаленных терминалов к главной (ведущей) системе.

Работа с инфракрасными устройствами стандарта IrDA 1.1, позволяющими организовать бесконтактную передачу информации, поддерживается семействами UART ST16C580, ST16C65x, XR16C85x, XR16C285x, XR16L275x, XR16L78x и XR17C15x. Перечисленные устройства имеют интегрированный на кристалле кодер/декодер, формирующий импульсы в соответствии со спецификацией IrDA (Infrared Data Association). Эти микросхемы ориентированы на использование в переносных приборах с батарейным питанием: ручные устройства ввода данных, системы безопасности, удаленные терминалы и контрольно-измерительное оборудование. Другими возможными применениями являются системы, использующиеся в секретных местах, где недопустима передача данных с помощью электромагнитного излучения, а также при организации связи в пределах взрывоопасной среды, где не допускается образование электрической искры.

26 июня 2003 г. EXAR Corporation анонсировала появление новой микросхемы UART XR16L2551. Это первый прибор в индустрии, который работает при напряжении от 2.25В до 5.5В и выполнен в корпусе 32-QFN (размер 5?5?0.9 мм). XR16L2551 представляет собой двухканальный UART, имеющий уникальную PowerSave функцию, снижающую энергопотребление, что позволяет увеличить время работы батарей питания. Новое устройство ориентировано на использование в портативных приложениях, таких как ручные терминалы ввода данных, авторизационные терминалы, сотовые телефоны CDMA и пр. Помимо этого, его использование возможно в базовых станциях сотовой связи, беспроводных инфракрасных системах передачи информации и телекоммуникационных маршрутизаторах. Для совместимости с передовыми микропроцессорами и микроконтроллерами, XR16L2551 имеет вывод для аппаратного выбора интерфейса данных Intel или Motorola. Такая возможность предоставляет дополнительную гибкость в использовании, уменьшая время разработки. По мнению Сьюзан Хардман (Susan Hardman), вице-президента и ведущего менеджера Interface Product Division: «Создание микросхемы UART в столь малом корпусе и обеспечение поддержки различных платформ от 2.25В до 5.5В делает Exar технологическим лидером на рынке многоканальных последовательных коммуникаций».

Таблица взаимозаменяемости микросхем UART