منفذ تسلسلي

تكون الإشارات الفردية على المنفذ التسلسلي أحادية الاتجاه، وعند توصيل جهازين، يجب توصيل مخرجات أحدهما بمداخل الآخر. تُقسم الأجهزة إلى فئتين: معدات طرفية للبيانات (DTE) ومعدات إنهاء دائرة البيانات (DCE). الخط الذي يُعد مخرجًا في جهاز DTE يُعد مدخلًا في جهاز DCE والعكس صحيح، لذا يمكن توصيل جهاز DCE بجهاز DTE باستخدام كابل مباشر، حيث يتصل كل دبوس في أحد طرفي الكابل بالدبوس الذي يحمل نفس الرقم في الطرف الآخر.

تقليديًا، تُعتبر أجهزة الكمبيوتر والمحطات الطرفية أجهزة طرفية رقمية (DTE)، بينما تُعتبر الأجهزة الطرفية مثل المودمات أجهزة طرفية رقمية (DCE). إذا لزم توصيل جهازين من نوع DTE (أو DCE) معًا، فيجب استخدام كابل ذي خطوط إرسال واستقبال معكوسة، يُعرف باسم كابل التوصيل المتقاطع أو كابل التوصيل العكسي أو كابل المودم الصفري .

عمومًا، تُصنّف موصلات المنافذ التسلسلية حسب الجنس ، بحيث لا يمكن توصيلها إلا بموصلات من الجنس الآخر. في موصلات D-subminiature ، تحتوي الموصلات الذكرية على دبابيس بارزة، بينما تحتوي الموصلات الأنثوية على مقابس دائرية مقابلة. ^{[ 2 ]} يمكن تركيب أي من نوعي الموصلات على الأجهزة أو اللوحات، أو استخدامها لإنهاء كابل.

من المرجح أن تكون الموصلات المثبتة على أجهزة DTE ذكرية، بينما تكون تلك المثبتة على أجهزة DCE أنثوية (مع عكس ذلك في موصلات الكابل). مع ذلك، لا ينطبق هذا على جميع الأجهزة؛ فعلى سبيل المثال، تحتوي معظم الطابعات التسلسلية على موصل DB25 أنثوي، لكنها أجهزة DTE. ^{[ 3 ]} في هذه الحالة، يمكن استخدام الموصلات المناسبة على الكابل أو محول جنس الموصل لتصحيح هذا التباين.

كان الموصل الوحيد المحدد في معيار RS-232 الأصلي هو موصل D-subminiature ذو 25 سنًا؛ ومع ذلك، استُخدمت العديد من الموصلات الأخرى لتوفير المال أو المساحة، لأسباب أخرى. على وجه الخصوص، نظرًا لأن العديد من الأجهزة لا تستخدم جميع الإشارات العشرين المحددة في المعيار، فغالبًا ما تُستخدم موصلات ذات عدد أقل من الأسنان. وبينما ترد أمثلة محددة فيما يلي، فقد استُخدمت موصلات أخرى لا حصر لها لتوصيلات RS-232.

استُخدم موصل DE-9 ذو التسعة دبابيس في معظم أجهزة الكمبيوتر الشخصية المتوافقة مع IBM منذ خيار محول التسلسل/التوازي لجهاز PC-AT ، حيث سمح هذا الموصل بتركيب منفذ تسلسلي ومنفذ متوازي على نفس البطاقة. ^{[ 4 ]} وقد تم توحيد هذا الموصل لمعيار RS-232 تحت اسم TIA-574 .

تحتوي بعض الأجهزة الإلكترونية المصغرة، وخاصة الآلات الحاسبة البيانية ^{[ 5 ]} وأجهزة الراديو المحمولة للهواة وأجهزة الراديو ثنائية الاتجاه ^{[ 6 ]} ، على منافذ تسلسلية باستخدام موصل الهاتف ، وعادة ما تكون الموصلات الأصغر حجمًا 2.5 أو 3.5  مم والواجهة الأساسية المكونة من 3 أسلاك - الإرسال والاستقبال والأرضي.

تُستخدم موصلات 8P8C أيضًا في العديد من الأجهزة. يحدد معيار EIA/TIA-561 ترتيب الدبابيس باستخدام هذا الموصل، بينما يُستخدم كابل التوصيل العكسي (أو معيار Yost) بشكل شائع في أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بنظام Unix وأجهزة الشبكة، مثل معدات شركة Cisco Systems . ^{[ 7 ]}

تُفضّل العديد من طرازات ماكنتوش معيار RS-422 ذي الصلة، وتستخدم في الغالب موصلات mini-DIN دائرية . يحتوي جهاز ماكنتوش على منفذين قياسيين للتوصيل بالطابعة والمودم، لكن بعض أجهزة الكمبيوتر المحمولة من نوع PowerBook كانت تحتوي على منفذ واحد مُدمج لتوفير المساحة. ^{[ 8 ]}

توجد موصلات 10P10C في بعض الأجهزة. ^{[ 9 ]}

ومن الموصلات الشائعة الأخرى موصل ذو 10 × 2 دبوس ، وهو شائع في اللوحات الأم وبطاقات التوسعة، والذي يتم تحويله عادةً عبر كابل شريطي إلى موصل DE-9 ذي 9 دبابيس الأكثر شيوعًا (ويتم تركيبه غالبًا على لوحة فتحة فارغة أو جزء آخر من الهيكل). ^{[ 10 ]}

عادةً ما تقوم أنظمة التشغيل بإنشاء أسماء رمزية للمنافذ التسلسلية للكمبيوتر، بدلاً من مطالبة البرامج بالإشارة إليها بواسطة عنوان الجهاز.

تُطلق أنظمة التشغيل الشبيهة بنظام يونكس عادةً على أجهزة المنافذ التسلسلية اسم /dev/tty* . وTTY هو اختصار شائع وغير محمي بعلامة تجارية لكلمة teletype ، وهي جهاز كان يُوصل عادةً بالمنافذ التسلسلية لأجهزة الكمبيوتر القديمة، و * يُمثل سلسلة نصية تُحدد المنفذ المحدد؛ ويختلف تركيب هذه السلسلة باختلاف نظام التشغيل والجهاز.

في نظام لينكس ، تبدأ أسماء المنافذ التسلسلية المخصصة للاتصالات العامة بـ /dev/tty متبوعةً ببادئة نوع تتكون من أحرف كبيرة وتنتهي برقم تسلسلي يبدأ بـ 0. على سبيل المثال، تُسمى منافذ UART التسلسلية من نوع 8250/16550 بـ /dev / ttyS* (مثل /dev/ttyS0 ، /dev/ttyS1 ، ...إلخ)؛ وتظهر محولات USB على شكل /dev/ttyUSB* ، /dev/ttyACM* ، أو /dev/ttyHS* ؛ أما الأنواع الأخرى فلها بادئات مختلفة. بعض المنافذ التسلسلية الافتراضية غير المخصصة للاتصالات العامة لها أسماء لا تتبع هذا النمط عمدًا.

تشير بيئات DOS و Windows إلى المنافذ التسلسلية باسم منافذ COM ويتم تسميتها COM متبوعة برقم تسلسلي يبدأ بـ 1 : COM1 ، COM2 ، ...إلخ . ^{[ 15 ]}

تستخدم المنافذ التسلسلية إشارات ثنائية المستوى، لذا فإن معدل نقل البيانات بالبتات في الثانية يساوي معدل نقل الرموز بالباود . تشمل السرعة الإجمالية بتات التأطير (بتات التوقف، بتات التكافؤ، إلخ)، وبالتالي يكون معدل نقل البيانات الفعلي أقل من معدل نقل البتات. على سبيل المثال، مع تأطير الأحرف 8-N-1، يكون 80% فقط من البتات متاحًا للبيانات؛ فمقابل كل ثمانية بتات من البيانات، يتم إرسال بتتين إضافيتين للتأطير.

تعتمد سلسلة معدلات نقل البيانات القياسية على مضاعفات معدلات أجهزة الطباعة عن بُعد الكهروميكانيكية ؛ وتتيح بعض المنافذ التسلسلية اختيار العديد من المعدلات، ولكن يجب أن تتطابق السرعات على طرفي الاتصال لضمان استقبال البيانات بشكل صحيح. تشمل معدلات نقل البيانات الشائعة المدعومة 75، 110، 300، 1200، 2400، 4800، 9600، 19200، 38400، 57600، و 115200 بت/ثانية . ^{[ 19 ]} العديد من معدلات نقل البيانات القياسية هذه في المودم هي مضاعفات إما لـ 1.2 كيلوبت/ثانية (مثل 19200، 38400، 76800) أو 0.9 كيلوبت/ثانية (مثل 57600، 115200). ^{[ 22 ]} تُباع مذبذبات بلورية بتردد 1.843200 ميجاهرتز خصيصًا لهذا الغرض. وهذا يعادل 16 ضعفًا لأسرع معدل نقل بيانات، ويمكن لدائرة المنفذ التسلسلي بسهولة تقسيم هذا التردد إلى ترددات أقل حسب الحاجة. 

لا يضمن تحديد معدل البتات بالضرورة نجاح الاتصال. فليست كل معدلات البتات متاحة مع جميع المنافذ التسلسلية. تستخدم بعض البروتوكولات الخاصة، مثل MIDI للتحكم في الآلات الموسيقية، معدلات بيانات تسلسلية تختلف عن معايير أجهزة الطباعة عن بُعد. كما يمكن لبعض تطبيقات المنافذ التسلسلية اختيار معدل البتات تلقائيًا من خلال مراقبة ما يرسله الجهاز المتصل ومزامنته معه.

يمكن أن يكون عدد بتات البيانات في كل حرف 5 ( لرمز بودو )، أو 6 (نادرًا ما يُستخدم)، أو 7 (لرمز ASCII الحقيقي )، أو 8 (لمعظم أنواع البيانات، حيث يتطابق هذا الحجم مع حجم البايت )، أو 9 (نادرًا ما يُستخدم). يُستخدم 8 بتات بيانات بشكل شبه عالمي في التطبيقات الحديثة. أما 5 أو 7 بتات، فهي مناسبة فقط للأجهزة القديمة، مثل أجهزة الطباعة عن بُعد.

في معظم تصميمات الاتصالات التسلسلية، تُرسل بتات البيانات في كل بايت بدءًا من البت الأقل أهمية . كما يُمكن، وإن كان نادر الاستخدام، إرسال البت الأكثر أهمية أولًا؛ وقد استُخدم هذا الأسلوب، على سبيل المثال، في طرفية الطباعة IBM 2741. عادةً لا يُمكن ضبط ترتيب البتات ضمن واجهة المنفذ التسلسلي، بل يُحدده النظام المضيف. للتواصل مع أنظمة تتطلب ترتيب بتات مختلفًا عن الترتيب الافتراضي المحلي، يُمكن للبرنامج المحلي إعادة ترتيب البتات في كل بايت قبل الإرسال مباشرةً وبعد الاستقبال مباشرةً.

التكافؤ هو أسلوب لكشف الأخطاء في الإرسال. عند استخدام التكافؤ مع منفذ تسلسلي، يُرسل بت بيانات إضافي مع كل حرف من البيانات، بحيث يكون عدد البتات التي قيمتها 1 في كل حرف، بما في ذلك بت التكافؤ، إما فرديًا دائمًا أو زوجيًا دائمًا. إذا استُلم بايت بعدد خاطئ من البتات التي قيمتها 1، فهذا يعني أنه تالف. لا يشير التكافؤ الصحيح بالضرورة إلى عدم وجود تلف، إذ أن الإرسال التالف الذي يحتوي على عدد زوجي من الأخطاء سيجتاز فحص التكافؤ. لا يسمح بت التكافؤ الواحد بتنفيذ تصحيح الأخطاء على كل حرف، وعادةً ما تحتوي بروتوكولات الاتصال التي تعمل عبر روابط البيانات التسلسلية على آليات عالية المستوى لضمان صحة البيانات وطلب إعادة إرسال البيانات التي استُلمت بشكل خاطئ.

يمكن ضبط بت التكافؤ في كل حرف على أحد القيم التالية:

• لا شيء (N) يعني أنه لا يتم إرسال أي بت تكافؤ ويتم تقصير الإرسال.
• يشير Odd (O) إلى أن بت التكافؤ مضبوط بحيث يكون عدد البتات 1 فرديًا.
• الزوجي (E) يعني أن بت التكافؤ مضبوط بحيث يكون عدد البتات 1 زوجيًا.
• تعني خاصية التكافؤ (M) أن بت التكافؤ يتم ضبطه دائمًا على حالة إشارة العلامة (قيمة البت 1).
• ترسل خاصية التكافؤ في الفضاء (S) دائمًا بت التكافؤ في حالة إشارة الفضاء (قيمة البت 0).

وبصرف النظر عن التطبيقات غير الشائعة التي تستخدم البت الأخير (عادةً التاسع) لشكل من أشكال العنونة أو الإشارة الخاصة، فإن تكافؤ العلامة أو المسافة غير شائع، لأنه لا يضيف أي معلومات عن اكتشاف الأخطاء.

يُعدّ التكافؤ الفردي أكثر فائدة من التكافؤ الزوجي، إذ يضمن حدوث انتقال حالة واحد على الأقل في كل حرف، مما يجعله أكثر موثوقية في اكتشاف الأخطاء، مثل تلك التي قد تنجم عن عدم تطابق سرعة المنفذ التسلسلي. مع ذلك، فإنّ إعداد التكافؤ الأكثر شيوعًا هو " بلا تكافؤ" ، حيث يتولى بروتوكول الاتصال مهمة اكتشاف الأخطاء.

للسماح بالكشف عن الرسائل التالفة بسبب ضوضاء الخط ، تم ترتيب أجهزة الطباعة عن بعد الكهروميكانيكية لطباعة حرف خاص عندما تحتوي البيانات المستلمة على خطأ في التكافؤ.

تسمح بتات التوقف المرسلة في نهاية كل حرف لجهاز استقبال الإشارة باكتشاف نهاية الحرف وإعادة التزامن مع تدفق الأحرف. تستخدم الأجهزة الإلكترونية عادةً بت توقف واحد. أما في حالة استخدام طابعات التلغراف الكهروميكانيكية البطيئة ، فقد يلزم استخدام بت توقف ونصف أو اثنين.

يُحدد الترميز التقليدي للبيانات/التكافؤ/الإيقاف (D/P/S) بنية الاتصال التسلسلي. التكوين الأكثر شيوعًا لأجهزة الحوسبة الشخصية هو 8-N-1 (يُكتب أيضًا 8N1، 8-None-1 ^{[ 23 ]} )، حيث يوجد بت بدء واحد، وثمانية بتات بيانات ("8")، ولا يوجد بت تكافؤ ("N")، وبت إيقاف واحد ("1"). ^{[ 24 ]} في هذا الترميز، لا يُحتسب بت التكافؤ ضمن عدد بتات البيانات. على سبيل المثال، 7/E/1 (7E1) يعني إضافة بت تكافؤ زوجي إلى بتات البيانات السبعة، ليصبح المجموع ثمانية بتات بين بتات البدء والإيقاف.

يُذكر الاختصار عادةً مع سرعة الخط بالبتات في الثانية ، كما في "9600-8-N-1". تشمل السرعة (أو معدل الباود ) بتات التأطير (بتات التوقف، والتكافؤ، وما إلى ذلك)، وبالتالي يكون معدل البيانات الفعلي أقل من معدل الباود. في ترميز 8-N-1، 80% فقط من البتات متاحة للبيانات (لكل ثمانية بتات من البيانات، تُرسل عشرة بتات عبر وصلة التسلسل - بت بدء واحد، وبتات البيانات الثمانية، وبت التوقف). ^{[ 23 ]} 

يُستخدم التحكم في التدفق في الحالات التي قد يتمكن فيها جهاز الإرسال من إرسال البيانات بسرعة تفوق قدرة جهاز الاستقبال على معالجتها. ولمعالجة هذه المشكلة، غالبًا ما تتضمن خطوط الاتصال التسلسلي آلية مصافحة . وتوجد آليات مصافحة برمجية ومادية .

تتم عملية المصافحة بين الأجهزة باستخدام إشارات إضافية، غالبًا دوائر إشارات RS-232 RTS/CTS أو DTR/DSR. تُستخدم إشارات RTS وCTS للتحكم في تدفق البيانات، على سبيل المثال، للإشارة إلى اقتراب امتلاء المخزن المؤقت. وفقًا لمعيار RS-232 والإصدارات اللاحقة له، تُستخدم إشارات DTR وDSR للإشارة إلى وجود الجهاز وتشغيله، لذا فهي عادةً ما تكون مُفعّلة باستمرار. مع ذلك، توجد تطبيقات غير قياسية، مثل الطابعات التي تستخدم DTR للتحكم في التدفق.

تُستخدم رموز التحكم XON/XOFF، على سبيل المثال، في عملية المصافحة البرمجية للتحكم في تدفق البيانات. يرسل المُستقبِل هذه الرموز إلى المُرسِل لتحديد وقت إرسال البيانات، أي أن اتجاه إرسالها معاكس لاتجاه إرسال البيانات. يبدأ النظام في حالة السماح بالإرسال . عندما تقترب مخازن المُستقبِل من سعتها القصوى، يُرسل المُستقبِل رمز XOFF لإيقاف إرسال البيانات. لاحقًا، وبعد أن يُفرغ المُستقبِل مخازنه، يُرسل رمز XON لاستئناف الإرسال. يُعد هذا مثالًا على الإشارة داخل النطاق ، حيث تُرسل معلومات التحكم عبر نفس قناة إرسال البيانات.

تتميز عملية المصافحة المادية بسرعتها الفائقة، واستقلاليتها عن أي معنى مُحدد مسبقًا، مثل ترميز ASCII للبيانات المنقولة، بالإضافة إلى كونها عديمة الحالة . أما عيوبها فتتمثل في حاجتها إلى المزيد من الأجهزة والكابلات، وضرورة دعم كلا طرفي الاتصال لبروتوكول المصافحة المادية المستخدم.

تتمثل ميزة المصافحة البرمجية في إمكانية تنفيذها حتى في غياب دوائر المصافحة المادية أو عدم توافقها، وكذلك الكابلات. أما عيبها، الشائع في جميع إشارات التحكم داخل النطاق، فهو تعقيد ضمان وصول رسائل التحكم حتى عند حجب رسائل البيانات، إذ لا يمكن الخلط بين البيانات وإشارات التحكم. عادةً ما يتولى نظام التشغيل أو برنامج تشغيل الجهاز معالجة الأولى، بينما تتولى معالجة الثانية عادةً ضمان تهريب رموز التحكم ( كما في بروتوكول كيرميت ) أو حذفها عمدًا (كما في التحكم الطرفي ANSI ).

في حال عدم استخدام بروتوكول المصافحة، قد يفشل جهاز الاستقبال المتجاوز في استقبال البيانات من جهاز الإرسال. تشمل طرق منع ذلك تقليل سرعة الاتصال لضمان قدرة جهاز الاستقبال على مواكبة البيانات باستمرار، وزيادة حجم المخازن المؤقتة لضمان قدرتها على مواكبة البيانات على مدى فترة زمنية أطول، واستخدام تأخيرات بعد العمليات التي تستغرق وقتًا طويلاً (كما في برنامج termcap )، أو استخدام آلية لإعادة إرسال البيانات التي لم يتم استلامها بشكل صحيح (كما في بروتوكول TCP ).