UART

3. 데이터 송수신 방식

UART는 비동기 직렬 통신 방식을 사용하며, 송신 측과 수신 측은 사전에 설정된 통신 규약(전송 속도, 데이터 비트, 패리티 비트, 정지 비트 등)을 따라야 한다. 데이터 프레임은 시작 비트, 데이터 비트, 패리티 비트(선택 사항), 정지 비트로 구성된다.

범용 비동기 수신기-송신기(UART)는 데이터 바이트를 받아 개별 비트를 순차적으로 전송한다.^[7] 대상에서는 두 번째 UART가 비트를 다시 조립하여 완전한 바이트로 만든다. 각 UART에는 직렬 및 병렬 형식 간의 변환의 기본 방법인 시프트 레지스터가 포함되어 있다.

UART는 일반적으로 서로 다른 장비 간에 사용되는 외부 신호를 직접 생성하거나 수신하지 않는다. 별도의 인터페이스 장치가 UART의 논리 레벨 신호를 외부 신호 레벨로 변환하는 데 사용되며, 이는 표준화된 전압 레벨, 전류 레벨 또는 기타 신호일 수 있다.

통신은 다음 3가지 모드가 가능하다.

• ''단방향'' (한 방향으로만, 수신 장치가 송신 장치로 정보를 다시 보낼 수 있는 기능이 없음)
• ''전이중'' (두 장치가 동시에 송수신)
• ''반이중'' (장치가 번갈아 가며 송수신)

• 전압 레벨
• 보 레이트
• 패리티 비트
• 데이터 비트 크기
• 정지 비트 크기
• 흐름 제어

• 유휴 상태: 데이터가 없는 상태로, 일반적으로 고전압(논리 1)을 유지한다. 이는 전신에서 유래된 것으로, 회선과 송신기의 손상 여부를 확인하기 위함이다.
• 시작 비트 (Start bit): 통신의 시작을 알리는 신호로, 논리 0 상태를 유지한다. 수신기는 이를 통해 새로운 문자가 전송됨을 인지한다.
• 데이터 비트 (Data bits): 실제 전송되는 데이터로, 5~8비트(일반적으로 최하위 비트부터 전송)로 구성된다. 사용할 비트 수는 레지스터 설정을 통해 결정된다.
• 패리티 비트 (Parity bit): 데이터 오류 검출을 위한 비트로, 사용 여부와 종류(짝수, 홀수)는 레지스터 설정을 통해 선택할 수 있다. 사용하지 않으면 이 비트는 제거된다. 전송 중 데이터 변경 여부를 확인하는 데 사용된다.
• 정지 비트 (Stop bit(s)): 통신의 종료를 알리는 신호로, 논리 1 상태를 1~2 비트 시간 동안 유지한다. 유지 시간은 레지스터 설정을 통해 결정된다. 수신기는 정지 비트를 통해 문자의 완료를 인지한다.

=== 송신기 (Transmitter) ===

전송 시스템은 시프트 레지스터에 문자를 넣는 즉시, UART는 시작 비트를 생성하고, 필요한 수의 데이터 비트를 라인으로 시프트하여 내보낸다. 패리티 비트(사용되는 경우)를 생성 및 전송하며, 정지 비트를 전송한다. 전이중 동작은 문자를 동시에 전송하고 수신해야 하므로 UART는 전송된 문자와 수신된 문자에 대해 두 개의 다른 시프트 레지스터를 사용한다.

고성능 UART는 CPU 또는 DMA 컨트롤러가 시프트 레지스터에 한 번에 하나의 문자를 넣는 대신 여러 문자를 FIFO(First In First Out) 버퍼에 일괄적으로 넣을 수 있도록 전송 FIFO 버퍼를 포함할 수 있다. 단일 또는 여러 문자의 전송은 CPU 속도에 비해 시간이 오래 걸릴 수 있으므로 UART는 호스트 시스템이 전송 버퍼 또는 시프트 레지스터에 최소한 하나의 문자가 있는지 알 수 있도록 사용 중 상태를 표시하는 플래그를 유지한다. "다음 문자(들) 준비"는 인터럽트로 신호를 보낼 수도 있다.

=== 수신기 (Receiver) ===

수신기는 각 클럭 펄스마다 들어오는 신호의 상태를 테스트하여 시작 비트의 시작을 찾는다. 시작 비트가 비트 시간의 절반 이상 지속되면 유효한 것으로 간주하여 새 문자의 시작을 알린다. 그렇지 않으면 스퓨리어스 펄스로 간주하고 무시한다.^[9][10] 추가 비트 시간을 기다린 후 회선의 상태를 다시 샘플링하고 결과 레벨을 시프트 레지스터로 클록한다. 문자 길이(일반적으로 5~8비트)에 필요한 수의 비트 기간이 경과하면 시프트 레지스터의 내용이 수신 시스템에서 병렬 방식으로 사용할 수 있게 된다. UART는 새로운 데이터가 있음을 나타내는 플래그를 설정하고 호스트 프로세서가 수신된 데이터를 전송하도록 요청하는 인터럽트를 생성할 수도 있다.^[9][10]

통신하는 UART는 통신 신호 외에는 공유된 타이밍 시스템이 없다. 일반적으로 UART는 스퓨리어스 펄스로 간주되지 않는 데이터 회선의 각 변경에서 내부 클럭을 다시 동기화한다. 이러한 방식으로 타이밍 정보를 얻으면 송신기가 예상보다 약간 다른 속도로 전송할 때에도 안정적으로 수신할 수 있다. 단순한 UART는 이 작업을 수행하지 않고 시작 비트의 하강 에지에서만 다시 동기화한 다음 각 예상 데이터 비트의 중앙을 읽는다. 이 시스템은 방송 데이터 전송 속도가 정지 비트를 안정적으로 샘플링할 수 있을 만큼 정확하면 작동한다.^[9][10]

UART는 다음 문자를 수신하는 동안 가장 최근 문자를 저장하는 표준 기능을 갖추고 있다. 이러한 "이중 버퍼링"은 수신 컴퓨터에 수신된 문자를 가져올 수 있는 전체 문자 전송 시간을 제공한다. 많은 UART에는 수신기 시프트 레지스터와 호스트 시스템 인터페이스 사이에 FIFO 버퍼 메모리가 있다. 이를 통해 호스트 프로세서는 UART로부터의 인터럽트를 처리할 시간이 더 많아지고 높은 속도로 수신된 데이터의 손실을 방지할 수 있다.^[9][10]

3. 1. 데이터 프레임 구성 요소

• 유휴 상태: 데이터가 없는 상태로, 일반적으로 고전압(논리 1)을 유지한다. 이는 전신에서 유래된 것으로, 회선과 송신기의 손상 여부를 확인하기 위함이다.
• 시작 비트 (Start bit): 통신의 시작을 알리는 신호로, 논리 0 상태를 유지한다. 수신기는 이를 통해 새로운 문자가 전송됨을 인지한다.
• 데이터 비트 (Data bits): 실제 전송되는 데이터로, 5~8비트(일반적으로 최하위 비트부터 전송)로 구성된다. 사용할 비트 수는 레지스터 설정을 통해 결정된다.
• 패리티 비트 (Parity bit): 데이터 오류 검출을 위한 비트로, 사용 여부와 종류(짝수, 홀수)는 레지스터 설정을 통해 선택할 수 있다. 사용하지 않으면 이 비트는 제거된다. 전송 중 데이터 변경 여부를 확인하는 데 사용된다.
• 정지 비트 (Stop bit(s)): 통신의 종료를 알리는 신호로, 논리 1 상태를 1~2 비트 시간 동안 유지한다. 유지 시간은 레지스터 설정을 통해 결정된다. 수신기는 정지 비트를 통해 문자의 완료를 인지한다.

3. 2. 송신기 (Transmitter)

3. 3. 수신기 (Receiver)

4. UART 모델

8250은 IBM PC에 사용된 초기 UART로, 1바이트 버퍼를 가지고 있어 현재는 사용되지 않는다.^[12] Intel 8251도 널리 사용되었다.^[12]

16550은 내셔널 세미컨덕터에서 개발되었으며, PC/AT 호환 기종의 시리얼 포트에 널리 사용된다.^[14] FIFO 버퍼를 내장하고 있으며, 확장 기능을 통해 더 빠른 데이터 통신 속도를 설정할 수 있다. 16450 UART에 FIFO를 내장한 것이 16550이다.^[14] 16550A는 16바이트 FIFO 버퍼를 가지고 있으며, 수신 인터럽트 트리거 레벨을 1, 4, 8 또는 14자로 설정할 수 있다.^[15]

Z80 SCC (Z85C30)는 Zilog에서 개발되었으며, 썬 마이크로시스템즈 등의 유닉스 워크스테이션에 사용되었다.^[13] 3바이트 수신 버퍼와 1바이트 전송 버퍼를 가지고 있으며, HDLC 및 SDLC 처리를 가속화하는 하드웨어를 갖추고 있다.^[13]

PL011은 ARM에서 개발한 AXI 버스용 IP 코어이다.^[23]

이 외에도 다양한 UART 모델이 존재한다.

4. 1. 주요 UART 모델

5. 오류 검출

UART는 데이터의 신뢰성을 유지하기 위해 오류를 감지하는 기능을 가지고 있다. UART는 인터럽트나 내장 레지스터를 통해 마이크로프로세서에 오류가 발생했음을 알린다.

• 패리티 오류 (Parity error): 수신된 문자의 패리티 비트가 잘못되었을 때 발생하는 오류이다. 패리티 무효 설정 시에는 발생하지 않는다.

• 오버런 오류 (Overrun error): 수신 버퍼에 저장된 문자를 마이크로프로세서가 가져가기 전에, 시프트 레지스터에 다음 문자가 들어왔을 때 발생하는 오류이다. 가져가지 못한 문자는 손실된다.

• 프레이밍 오류 (Framing error): 정지 비트를 수신해야 하는 시점에 신호가 정지 비트의 논리값이 아닐 때 발생하는 오류이다.

5. 1. 오류 종류

• 패리티 오류 (Parity error): 수신된 문자의 패리티 비트가 잘못되었을 때 발생하는 오류이다. 패리티 무효 설정 시에는 발생하지 않는다.

• 오버런 오류 (Overrun error): 수신 버퍼에 저장된 문자를 마이크로프로세서가 가져가기 전에, 시프트 레지스터에 다음 문자가 들어왔을 때 발생하는 오류이다. 가져가지 못한 문자는 손실된다.

• 프레이밍 오류 (Framing error): 정지 비트를 수신해야 하는 시점에 신호가 정지 비트의 논리값이 아닐 때 발생하는 오류이다.

6. 응용

UART는 다양한 분야에서 활용된다.

모뎀에 연결된 개인용 컴퓨터와 함께 사용되는 일반적인 직렬 포트는 8개의 데이터 비트, 패리티 없음 및 1개의 정지 비트를 사용한다. 이 구성의 경우 초당 ASCII 문자 수는 비트 전송률을 10으로 나눈 값과 같다.

물리적 UART가 없는 일부 저가형 홈 컴퓨터 또는 임베디드 시스템은 대신 입력 포트의 상태를 샘플링하거나 데이터 전송을 위해 출력 포트를 직접 조작하여 소프트웨어로 프로토콜을 에뮬레이트할 수 있다. 매우 CPU 집약적이지만(CPU 타이밍이 중요하기 때문에) UART 칩을 생략하여 비용과 공간을 절약할 수 있다. 이 기술은 비트 뱅깅이라고 알려져 있다.

개인용 컴퓨터의 모뎀은 마더보드 슬롯에 꽂을 수 있으며, 카드에 UART 기능을 포함해야 한다. IBM 개인용 컴퓨터와 함께 제공된 원래의 8250 UART 칩은 각각 수신기와 송신기에 대해 1개의 문자 버퍼를 가지고 있었는데, 이는 통신 소프트웨어가 9600 bit/s 이상의 속도에서 성능이 저조하다는 것을 의미하며, 특히 멀티태스킹 시스템에서 작동하거나 디스크 컨트롤러로부터 인터럽트를 처리하는 경우 더욱 그렇다. 고속 모뎀은 원래 칩과 호환되지만 추가적인 FIFO 버퍼를 포함하는 UART를 사용하여 소프트웨어가 들어오는 데이터에 응답할 수 있는 추가 시간을 제공했다.

높은 비트 전송률에서의 성능 요구 사항을 살펴보면, 16, 32, 64 또는 128 바이트 FIFO가 필수적인 이유를 알 수 있다. 9600 bit/s는 약 1밀리초마다 문자를 전달하므로, 최대 인터럽트 비활성화 타이밍을 충족하는 DOS 시스템에서는 1바이트 FIFO가 이 속도에서 충분해야 한다. 이보다 높은 속도에서는 이전 문자를 가져오기 전에 새 문자를 수신할 수 있으므로, 이전 문자가 손실된다. 이를 오버런 오류라고 하며 하나 이상의 문자가 손실되는 결과를 초래한다.

16바이트 FIFO는 컴퓨터가 인터럽트를 처리하기 전에 최대 16개의 문자를 수신할 수 있도록 한다. 32바이트 FIFO는 최대 속도를 300,000 bit/s 이상으로 증가시킨다. FIFO를 갖는 것의 두 번째 이점은 컴퓨터가 약 8~12%의 인터럽트만 처리하면 되므로 화면을 업데이트하거나 다른 작업을 수행하는 데 더 많은 CPU 시간을 할당할 수 있다는 것이다. 따라서 컴퓨터의 응답도 향상될 것이다.

UART를 송수신하려면 올바른 작동을 위해 동일한 비트 속도, 문자 길이, 패리티 및 정지 비트로 설정해야 한다. 수신 UART는 일치하지 않는 일부 설정을 감지하고 호스트 시스템에 대한 "프레이밍 오류" 플래그 비트를 설정할 수 있다. 예외적인 경우 수신 UART는 손상된 문자의 불규칙한 스트림을 생성하여 호스트 시스템으로 전송한다.

6. 1. 주요 활용 분야

• UART는 비트 뱅깅 기술을 통해 소프트웨어로 에뮬레이트될 수 있다. 이 기술은 UART 칩을 생략하여 비용과 공간을 절약할 수 있지만, CPU 타이밍이 중요하다.
• 높은 비트 전송률에서는 16, 32, 64 또는 128 바이트 FIFO가 필수적이다. FIFO는 컴퓨터가 인터럽트를 처리하기 전에 여러 문자를 수신할 수 있도록 하여 데이터 손실(오버런 오류)을 방지하고 시스템 응답성을 향상시킨다.
• 송수신 UART는 올바른 작동을 위해 동일한 비트 속도, 문자 길이, 패리티 및 정지 비트로 설정되어야 한다. 설정이 일치하지 않으면 "프레이밍 오류"가 발생할 수 있다.

7. 에뮬레이션

UART 통신 프로토콜은 비교적 간단하여, 아두이노^[18] 또는 틴시^[19]와 같은 현대의 마이크로컨트롤러 소프트웨어에서 비트 뱅잉 GPIO 핀을 사용하여 에뮬레이션할 수 있다.^[20][21] 일부 마이크로컨트롤러는 프로그래밍 가능한 I/O 유한 상태 기계를 사용하여 UART를 에뮬레이션할 수 있다. 예를 들어 라즈베리 파이 피코의 PIO^[20][21] 또는 NXP의 FlexIO^[22]가 있다.

참조

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_[2] 서적 Computer Engineering: A DEC View of Hardware Systems Design http://bitsavers.org[...] Digital Press 2014-05-12
_[3] 웹사이트 Curator, Division of Information Technology and Society, National Museum of American History, Smithsonian Institution http://americanhisto[...] 2015-06-14
_[4] 문서 Oral History of Gordon Bell http://archive.compu[...] 2005
_[5] 서적 Technical Reference 6025008 http://www.minuszero[...] IBM 1981-08
_[6] 웹사이트 FTDI Products http://www.ftdichip.[...] 2018-03-22
_[7] 서적 An Introduction to Microcomputers Volume 1: Basic Concepts Osborne-McGraw Hill Berkeley California USA 1980
_[8] 웹사이트 Universal asynchronous receiver/transmitter (UART) https://www.ti.com/l[...] 2021-03-01
_[9] 웹사이트 Determining Clock Accuracy Requirements for UART Communications https://pdfserv.maxi[...] Maxim Integrated 2003-08-07
_[10] 웹사이트 Universal asynchronous receiver/transmitter (UART) https://www.nxp.com/[...] Philips [[NXP]] 2006-08-04
_[11] 문서 Interfacing with a PDP-11/05: the UART http://retrocmp.com/[...] 2015-08-19
_[12] 웹사이트 Zilog Product specification Z8440/1/2/4, Z84C40/1/2/3/4. Serial input/output controller http://www.zilog.com[...]
_[13] 웹사이트 Zilog Document Download http://www.zilog.com[...] 2018-03-22
_[14] 웹사이트 Re: Serial communication with the 16650 http://www.mail-arch[...] 1999-01-23
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_[26] 웹인용 FAQ: The 16550A UART & TurboCom drivers 1994 http://www.cs.utk.ed[...] 2010-12-15