RS-232

3. 기술적 특징

PC 97 하드웨어 디자인 가이드에서 마이크로소프트는 IBM PC 디자인의 RS-232 호환 직렬 포트에 대한 지원을 중단했다.^[9] 오늘날 RS-232는 개인용 컴퓨터에서 로컬 통신을 위해 USB로 대부분 대체되었다. RS-232에 비해 USB는 더 빠르고, 낮은 전압을 사용하며, 연결하기 쉬운 커넥터를 가진다. 그러나 USB는 전자기 간섭(EMI)에 대한 면역성이 낮고, 최대 케이블 길이가 짧다(RS-232는 15m, 적절한 라인 드라이버 사용시 2000m^[10][11], USB는 버전에 따라 3m~5m).

실험실 자동화, 측량 등의 분야에서는 RS-232 장치가 계속 사용된다. 일부 프로그래머블 로직 컨트롤러, 가변 주파수 드라이브, 서보 드라이브, 컴퓨터 수치 제어 장비는 RS-232를 통해 프로그래밍할 수 있다. 컴퓨터 제조업체는 DE-9M 커넥터를 다시 도입하거나 어댑터를 제공하여 이러한 수요에 대응하고 있다.

RS-232 포트는 헤드리스 시스템(서버 등)과 통신하는 데에도 사용된다. RS-232 직렬 포트가 있는 컴퓨터는 임베디드 시스템(라우터 등)의 직렬 포트와 통신할 수 있다.

RS-232는 사용자 데이터를 시계열 비트로 전송하며, 동기 직렬 통신 및 비동기 직렬 통신 전송을 모두 지원한다. 표준은 DTE와 DCE 간 연결 관리를 위한 여러 제어 회선을 정의한다. 각 데이터 또는 제어 회선은 한 방향으로만 작동하며, 송신 데이터와 수신 데이터는 별도 회선을 사용하여 전이중 방식 작동이 가능하다. 표준은 데이터 스트림 내 문자 프레이밍이나 문자 인코딩은 정의하지 않는다.

전기 산업 협회(EIA) 표준 RS-232-C^[2]는 1969년에 다음을 정의했다.

• 전기 신호 특성 (논리 레벨, 전송 속도, 신호 타이밍, 슬루율, 전압 내성 레벨, 단락 동작, 최대 부하 정전 용량 등)
• 인터페이스 기계적 특성, 플러그 커넥터 및 핀 식별
• 인터페이스 커넥터 각 회로 기능
• 선택된 통신 응용 프로그램을 위한 인터페이스 회로의 표준 서브셋

표준은 최대 개방 회로 전압 25V를 지정한다. ±5V, ±10V, ±12V, ±15V가 일반적으로 사용된다. 많은 RS-232 드라이버 칩은 전하 펌프 회로를 내장하여 3V 또는 5V 전원에서 필요한 전압을 생성한다. RS-232 드라이버와 수신기는 단락을 견딜 수 있어야 하며, 슬루율도 제어된다.

집적 회로 논리 레벨보다 전압 레벨이 높기 때문에 특수 드라이버 회로가 필요하며, 이는 단락 또는 과도 현상으로부터 장치 내부 회로를 보호하고, 슬루율 요구 사항을 준수할 만큼 충분한 전류를 제공한다.

RS-232 회로 양쪽 끝은 접지 핀이 0V임을 필요로 하므로, 접지 전압이 다른 기계와 컴퓨터 연결 시 문제가 발생할 수 있으며, 접지 루프를 유발할 수 있다. 공통 접점 사용은 RS-232를 짧은 케이블 사용으로 제한한다. RS-422, RS-485와 같은 밸런스드, 차동 직렬 연결은 더 큰 접지 전압 차이를 허용한다.^[12]

RS-232 장치는 DTE 또는 DCE로 분류되며, 각 장치에서 어떤 전선이 각 신호를 송수신하는지 정의한다. 표준은 수 커넥터는 DTE, 암 커넥터는 DCE 핀 기능을 갖도록 규정한다.

표준은 개정 C까지 D-서브미니어처 25핀 커넥터를 권장, 개정 D부터 의무화했다. 대부분 장치는 표준에 지정된 20개 신호 중 일부만 구현하므로, 더 적은 핀을 가진 커넥터와 케이블이 사용된다. 개인용 컴퓨터 제조업체는 DB-25M 커넥터를 DE-9M 커넥터(EIA-574)로 대체했다.

25핀 D-서브 커넥터가 있다고 해서 반드시 RS-232-C 호환은 아니다. RS-232에서 D-sub 9핀 커넥터 사용은 규정 외이며, EIA-574 규격에 해당한다.

이 표준은 최대 케이블 길이를 정의하지 않고, 규격 드라이브 회로가 견뎌야 하는 최대 정전 용량을 정의한다. 일반적으로 15m 이상 케이블은 정전 용량이 크며, 낮은 정전 용량 케이블 사용시 300m까지 통신 가능하다.^[13]

RS-232는 데이터 전송 및 연결 제어를 위해 다양한 신호를 사용하며, 데이터는 시계열 비트로 전송, 동기/비동기 전송을 지원한다. 데이터 신호 외 연결 관리 제어 신호가 있으며, 각 신호는 단방향, 송수신 별도 회선으로 전이중 작동한다.

신호는 DTE 기준이며, 접지는 다른 연결의 공통 반환 경로이다.

3. 1. 표준 범위

• 전기 신호 특성: 논리 레벨, 전송 속도, 신호의 타이밍 및 슬루율, 전압 내성 레벨, 단락 동작, 최대 부하 정전 용량 등.
• 인터페이스 기계적 특성, 플러그 커넥터 및 핀 식별.
• 인터페이스 커넥터의 각 회로 기능.
• 선택된 통신 응용 프로그램을 위한 인터페이스 회로의 표준 서브셋.

3. 2. 전압 레벨

표준은 최대 개방 회로 전압 25볼트를 지정한다. ±5V, ±10V, ±12V 및 ±15V의 신호 레벨은 라인 드라이버 회로에 사용할 수 있는 전압에 따라 일반적으로 사용된다. 많은 RS-232 드라이버 칩에는 3V 또는 5V 전원에서 필요한 전압을 생성하는 전하 펌프 회로가 내장되어 있다. RS-232 드라이버와 수신기는 접지 또는 최대 ±25볼트까지의 모든 전압 레벨에 대한 무기한 단락을 견딜 수 있어야 한다. 신호가 레벨 사이에서 얼마나 빠르게 변하는지 나타내는 슬루율도 제어된다.

전압 레벨이 일반적으로 집적 회로에서 사용되는 논리 레벨보다 높기 때문에 논리 레벨을 변환하기 위해 특수한 개입 드라이버 회로가 필요하다. 이러한 회로는 또한 RS-232 인터페이스에서 나타날 수 있는 단락 또는 과도 현상으로부터 장치의 내부 회로를 보호하고, 데이터 전송에 대한 슬루율 요구 사항을 준수할 수 있을 만큼 충분한 전류를 제공한다.

RS-232 회로의 양쪽 끝이 접지 핀이 0볼트임을 필요로 하므로, 한쪽 끝의 접지 핀과 다른 쪽 끝의 접지 핀 사이의 전압이 0이 아닌 기계와 컴퓨터를 연결할 때 문제가 발생한다. 이것은 또한 위험한 접지 루프를 유발할 수 있다. 공통 접점을 사용하면 RS-232를 비교적 짧은 케이블을 사용하는 애플리케이션으로 제한할 수 있다. 두 장치가 충분히 떨어져 있거나 별도의 전원 시스템에 있는 경우, 케이블 양쪽 끝의 로컬 접지 연결은 서로 다른 전압을 갖게 된다. 이 차이는 신호의 노이즈 마진을 줄인다. RS-422 또는 RS-485와 같은 밸런스드, 차동 직렬 연결은 차동 신호 처리로 인해 더 큰 접지 전압 차이를 허용할 수 있다.^[12]

3. 3. 커넥터

3. 4. 케이블

3. 5. 데이터 및 제어 신호

신호는 DTE를 기준으로 이름이 붙여진다. 접지 핀은 다른 연결에 대한 공통 반환 경로이며, 다른 핀의 전압은 이 접지 핀을 기준으로 측정된다.
링 표시기(Ring Indicator, RI)는 DCE에서 DTE로 보내는 신호로, 전화선이 울리고 있음을 알려준다. 많은 컴퓨터 직렬 포트에서 RI 신호가 변경되면 하드웨어 인터럽트가 발생하여, 소프트웨어가 핀 상태를 계속 확인(폴링)하지 않아도 RI 핀 상태 변화를 알 수 있다. RI 신호는 반대 방향으로 정보를 전달하는 다른 신호는 없다. 외부 모뎀에서 RI 핀 상태는 "AA"(자동 응답) 표시등에 연결되어 벨소리를 감지하면 깜박인다.

3. 5. 1. 흐름 제어 (Flow Control)

4. DTE 간 연결

크로스 케이블(리버스 케이블이라고도 함)을 사용하면 컴퓨터 등 단말 장치를 직접 연결할 수 있다. (스트레이트 케이블 2개로 연결하는 경우, DSR과 DTR, RTS와 CTS의 제어선을 연결하여 제어 오류를 방지한 것을 '''널 모뎀'''이라고 하며, DCE 커넥터가 두 개 있고 크로스 케이블과 유사한 결선을 한 어댑터를 사용한다. 또한, 크로스 케이블 자체를 널 모뎀 케이블이라고 부르기도 한다.)

크로스 케이블의 배선에는 몇 가지 종류가 있다. 간단한 것은 서로의 컴퓨터의 TXD와 RXD끼리, GND끼리 3개를 연결하는 경우도 있지만, 하드웨어 흐름 제어를 위한 RTS와 CTS끼리의 연결 외에도 연결 상황을 확인하기 위해 DTR, DSR, DCD끼리도 연결하는 것이 일반적이다.

5. 관련 표준

RS-232와 비슷한 기타 직렬 인터페이스는 다음과 같다:

• RS-422 - RS-232와 유사하지만 차동 신호를 사용하는 고속 시스템이다.
• RS-423 - RS-422와 유사하지만 불균형 신호를 사용하는 고속 시스템이다.
• RS-449 - RS-422 및 RS-423 신호를 사용하는 기능적 및 기계적 인터페이스. RS-232처럼 인기를 얻지 못하고 EIA에서 철회했다.
• RS-485 - 다중 드롭 구성에서 버스로 사용할 수 있는 RS-422의 후속 제품이다.
• MIL-STD-188 - RS-232와 유사하지만 임피던스 및 상승 시간 제어가 더 우수한 시스템. MIL-STD-188은 0에 음전압을 사용하고 1에 양전압을 사용한다는 점이 RS-232와 다르다.
• EIA-530 - EIA-232 핀아웃 구성에서 RS-422 또는 RS-423 전기적 특성을 사용하여 두 가지 모두의 장점을 결합하는 고속 시스템; RS-449를 대체한다.
• EIA/TIA-561 - 8 위치, 8 접점 (8P8C) 모듈러 커넥터(RJ45 커넥터라고 잘못 불릴 수 있음)에 대한 RS-232 핀아웃을 정의한다.
• EIA/TIA-562 - EIA/TIA-232의 저전압 버전이다.
• TIA-574 - IBM PC/AT에서 시작된 EIA-232 전기 신호에 사용하기 위한 9핀 D-서브미니어처 커넥터 핀아웃을 표준화한다.
• EIA/TIA-694 - TIA/EIA-232-F와 유사하지만 최대 512 kbit/s의 더 높은 데이터 속도를 지원한다.

EIA 권장 설계 규정에 따라 RS-232, RS-423, RS-422, RS-485의 외형이나 핀 배열은 같을 수 있으나 통신 프로토콜은 다르다.

다른 직렬 신호 표준은 표준을 준수하는 RS-232 포트와 상호 운용되지 않을 수 있다. 예를 들어, 거의 +5V 및 0V의 TTL 레벨을 사용하면 마크 레벨이 표준의 정의되지 않은 영역에 놓이게 된다. 이러한 레벨은 때때로 NMEA 0183-compatible^영어 GPS 수신기 및 깊이 탐지기에 사용된다. MAX232와 같은 칩은 전압 레벨을 변환하는 데 필요하다.

국제 전기 통신 연합은 EIA RS 232의 회로 정의와 호환되는 회로 정의가 포함된 표준 ITR-R V.24(이전 CCITT 표준 V.24), "데이터 터미널 장비(DTE)와 데이터 회로 종단 장비(DCE) 간의 교환 회로에 대한 정의 목록"을 발행한다. V.24는 신호 레벨이나 타이밍을 지정하지 않는다. 신호에 대한 전기적 매개변수는 ITU-R-V.28에 지정되어 있다.

6. 한계점

RS-232 표준의 문제점은 다음과 같다:^[8]

• 큰 전압 변동과 양수 및 음수 전원 공급 장치 요구 사항은 인터페이스의 전력 소비를 증가시키고 전원 공급 장치 설계를 복잡하게 한다. 또한 전압 변동 요구 사항은 호환 가능한 인터페이스의 최고 속도를 제한한다.
• 공통 신호 접지를 참조하는 단일 종단 신호 방식은 노이즈 내성과 전송 거리를 제한한다.
• 둘 이상의 장치 간 다중 드롭 연결이 정의되어 있지 않다. 다중 드롭 "임시 해결책"이 고안되었지만, 속도와 호환성에 한계가 있다.
• 이 표준은 데이터 단말 장치(DTE)를 DTE에 직접 연결하거나 데이터 회선 종단 장치(DCE)를 DCE에 연결하는 가능성을 다루지 않는다. 널 모뎀 케이블을 사용하여 이러한 연결을 수행할 수 있지만, 이는 표준에서 정의되지 않았으며, 일부 케이블은 다른 케이블과 다른 연결을 사용한다.
• 링크의 양쪽 끝 정의가 비대칭적이다. 이로 인해 새로 개발된 장치의 역할 할당이 문제가 된다. 설계자는 DTE와 유사한 인터페이스 또는 DCE와 유사한 인터페이스 중 하나를 결정하고 어떤 커넥터 핀 할당을 사용할지 결정해야 한다.
• 인터페이스의 핸드셰이킹 및 제어 회선은 다이얼업 통신 회로의 설정 및 해제를 위한 것이다. 특히, 흐름 제어를 위한 핸드셰이크 라인의 사용은 많은 장치에서 안정적으로 구현되지 않는다.
• 장치에 전원을 공급하는 방법이 지정되어 있지 않다. DTR 및 RTS 라인에서 소량의 전류를 추출할 수 있지만, 이는 마우스와 같은 저전력 장치에만 적합하다.
• 표준에서 권장하는 25핀 D-sub 커넥터는 현재 사용 방식에 비해 크다.

7. 현대적 역할

오늘날 RS-232는 개인용 컴퓨터에서 로컬 통신을 위해 USB로 대부분 대체되었다. RS-232에 비해 USB는 더 빠르고, 낮은 전압을 사용하며, 연결하고 사용하기가 더 간단한 커넥터를 가지고 있다는 장점이 있다. 반면, USB는 전자기 간섭(EMI)에 대한 면역성이 훨씬 낮고, 최대 케이블 길이가 짧다는 단점이 있다.^[3][4]

RS-232는 구형 설계의 주변기기, 산업 장비(PLC 등), 시스템 콘솔 포트 및 특수 목적 장비를 연결하는 데 여전히 사용된다. 예를 들어 실험실 자동화, 측량, 프로그래머블 로직 컨트롤러, 가변 주파수 드라이브, 서보 드라이브, 컴퓨터 수치 제어 장비 등에서 여전히 사용된다. 또한 헤드리스 시스템(예: 서버)과 통신하는 데 사용되기도 한다.

참조

_[1] 웹사이트 Connecting the Beast? https://thisoldmill.[...] 2023-06-08
_[2] 서적 EIA standard RS-232-C: Interface between Data Terminal Equipment and Data Communication Equipment Employing Serial Binary Data Interchange Electronic Industries Association, Engineering Department
_[3] 웹사이트 RS232 Tutorial on Data Interface and cables http://www.arcelect.[...] ARC Electronics 2011-07-28
_[4] 웹사이트 Metering Glossary http://www.landisgyr[...] 2012-11-29
_[5] 웹사이트 TIA Facts at a Glance http://www.tiaonline[...] Telecommunications Industry Association 2011-07-28
_[6] 서적 Practical Industrial Data Networks: Design, Installation, and Troubleshooting Newnes
_[7] 논문 Standards for Computer Aided Manufacturing https://archive.org/[...] Manufacturing Technology Division, Air Force Materials Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio 45433 2017-03-04
_[8] 서적 The Art of Electronics https://archive.org/[...] Cambridge University Press
_[9] 서적 PC 97 Hardware Design Guide Microsoft Press 1997
_[10] 웹사이트 Lengths of serial cables https://www.tldp.org[...] 2020-01-01
_[11] 서적 CompTIA A+ Guide to IT technical support Cengage Learning
_[12] 웹사이트 TIA/EIA-422-B Overview http://www.national.[...] National Semiconductor 2011-07-28
_[13] 웹사이트 Serial Wiring http://aplawrence.co[...] 2011-07-28
_[14] 웹사이트 Serial (PC 25) https://pinoutguide.[...]
_[15] 뉴스그룹 Re: EIA-232 full duplex RTS/CTS flow control standard proposal http://groups.google[...] 2014-02-03
_[16] 웹사이트 TIA https://standards.ti[...]
_[17] 웹사이트 232F https://global.ihs.c[...]
_[18] 웹사이트 Metering Glossary http://www.landisgyr[...] 2012-11-29
_[19] 논문 Standards for Computer Aided Manufacturing https://archive.org/[...] Manufacturing Technology Division, Air Force Materials Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio 45433 2017-03-04