비동기 시리얼(직렬) 통신의 종류와 개념

 

비동기 직렬 통신 (UART)
직렬 저속 (RS-232, RS-422, RS-485)	직렬 고속 (Ethernet)

1. UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

 

1) UART의 개념

 

UART는 범용 비동기 송수신기라고 하며 병렬 데이터의 형태를 직렬 방식으로 전환하여 데이터를 전송하는 것이다.

예를 들어서 1111 0000 이라는 데이터를 송수신 한다고 했을 때 병렬 통신은

1->

1->

1->

1->

0->

0->

0->

0->

을 동시에 전송하는 반면 직렬 통신은 1->1->1->1->0->0->0->0을 순서대로 전송하게 된다. UART는 이러한 병렬 통신을 직렬 방식으로 바꿔 데이터를 전송하는 것이다. 그렇다면 Asynchronous(비동기)는 무엇일까? 먼저 동기(Synchronous)에 대해 먼저 설명하면, 동기 모드는 데이터 동기화를 위해 별도의 클럭 신호가 전송된다. 그래서 그 클럭에 맞춰 데이터 송수신이 진행되게 된다. 하지만 비동기는 별도의 클럭 신호가 전송되지 않는다. 대신 데이터를 보내기 시작한다는 의미로 start bit와 끝낸다는 stop bit를 통해 데이터의 동기화가 이루어진다.

또한 이를 위해 서로 Baud rate(보레이트)를 정해놓고 통신하게 된다. Baud rate란 1초당 얼마나 많은 데이터를 보내냐는 것을 의미한다. 예를 들어서 신호가 1bit인데 9600 Baud rate라면 1초에 9600개의 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다. 즉, Baud rate은 서로의 통신 속도를 일정하게 해서 통신할 수 있게 해준다. 동기 모드에서는 start bit와 stop bit가 필요하지 않아서 데이터 전송 효율 자체는 높을 수 있으나 별도의 클럭 핀이 필요하다는 단점이 있다.

 

2) UART 프로토콜

위에서 말한 것처럼 처음에 start bit가 있고 마지막에 stop bit가 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 그림처럼 High로 신호를 유지하고 있다가 Low가 되는 시점이 Start이며, 8bit 데이터를 보낸 후 Parity bit를 보내는 것을 알 수 있다. Parity bit는 데이터 전송 과정에서 오류가 생겼는지를 알기 위해 추가되는 비트이다. 결론적으로 start bit, stop bit, parity bit까지 총 8비트를 보내는데 실제로 11bit 또는 12bit의 시간을 소모하게 되는 것이다.

 

2. RS-232, RS-422, RS-485

 

1) Network Topology

 

컴퓨터 네트워크에 참여하는 요소(링크, 노드)들의 배치형태, 망 구성 방식을 의미한다. 여기에는 Point to Point모드와 Multi-Drop모드가 있다.

- RS-232는 PC 시리얼 포트와 디바이스간 Point to Point 연결로만 사용 가능하다.

- RS-422은 Point to Point모드와 Multi-Drop모드 둘 다 사용 가능하다.

- RS-485는 RS-422의 제한된 디바이스 개수를 확장시켰고, 입력과 출력 전압 부분이 강화된 통신 방식이다. 이로 인해 RS-485를 이용하여 멀티 장비들의 네트워크 생성(Multi-Drop)이 가능하다.

 

① Point to Point

점대점 구조로 가장 단순한 형태의 망 구성 방식이다. 양 노드 또는 네트워크가 (1:1) 점대점으로 상호 연결된 구조로 통신 양단 간에 1:1 데이터링크로 연결된 형상이다.

② Multi-Drop

하나의 시리얼 버스에 여러 개의 드라이버/리시버를 접속하고 임의로 데이터를 전송할 수 있는 것을 말한다. Multi-Drop모드가 사용되는 시스템은 하나의 마스터에 여러 개의 슬레이브가 연결되어 마스터가 어떤 슬레이브와 통신을 할 것인지를 결정하고 해당 슬레이브를 호출하면 호출된 슬레이브가 응답을 하는 체제로 구성된다.

2) 동작모드

 

동작모드는 Single-Ended와 Differential이 있다.

- RS-232는 Single-Ended, RS-422과 RS-485는 Differential모드 이다.

 

① Single-Ended

입력되는 신호의 크기를 접지와 비교하여 측정하는 것

 

② Differential

두 개의 입력포트로 각 신호가 들어가게 되고, 입력 신호는 두 신호의 전압 차로 주어진다. Differential이 Single-Ended에 비해 잡음에 강한 특성이 있는데 그 이유는 Single-Ended에 잡음이 들어오게 되면 그 잡음 또한 그대로 입력되는 특성이 있으나, Differential은 두 신호 선에 잡음이 공통으로 나타나게 되면 두 신호의 차에는 잡음이 제거되기 때문이다.

 

<결론>

Specification	RS-232	RS-422	RS-485
최대 Driver/Receiver 수	1 Driver 1 Receiver	1 Driver 10 Receiver	32 Driver 32 Receiver
동작 모드	Single-Ended	Differential	Differential
Network Topology	Point to Point	Point to Point & Multi-Drop	Point to Point & Multi-Drop
최대 통신거리	약 15m	약 1.2km	약 1.2km
최고 통신속도	20 kb/s	10 Mb/s	10 Mb/s
지원 전송방식	Full Duplex	Full Duplex	Half Duplex

RS-232

전압기반(통신거리가 짧음), 1대 1만 가능

RS-422

전류기반(통신 거리가 김), Address가 필요

RS-485

2선식 방식, Tx+와 Rx+, Tx-와 Rx-를 두 가닥의 전선으로 연결하여 통신하며 모든 디바이스가 마스터로써 멀티 마스터 구조로 운영이 된다.

3. Ethernet

 

컴퓨터 네트워크 기술의 하나로, 전세계의 사무실이나 가정에서 일반적으로 사용되는 LAN에서 가장 많이 활용되는 기술 규격이다. 쉽게 말해서 네트워크를 만드는 방법 중 하나라고 생각하면 된다. 그리고 Ethernet은 CSMA/CD라는 프로토콜을 사용해서 통신한다.

 

● CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

: 반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지 기술

이 기술은 Ethernet에 연결된 여러 컴퓨터들이 하나의 전송 매체를 공유할 수 있도록 한다.

 

Ethernet 환경에서 통신을 하고 싶은 PC나 서버는 먼저 지금 네트워크 상에 통신이 일어나고 있는지를 확인하는데 이것을 Carrier Sense라고 한다. 이때 누군가가 네트워크 상에서 통신을 하고 있으면 자기가 보낼 정보가 있어도 못 보내고 기다린다. 그러다 네트워크에서 통신이 없어지면 자신의 데이터를 네트워크 상에 실어서 보낸다. 그런데 만약 네트워크 상에서 두 대의 PC나 서버가 보낼 데이터를 가지고 눈치를 살피고 있다가 네트워크 상에 통신이 일어나지 않으면 동시에 데이터를 보내는 경우가 있다. Ethernet에서는 이렇게 두 개 이상의 PC나 서버가 동시에 네트워크 상에 데이터를 실어 보내는 경우가 발생하는데 이 경우를 Multiple Access(다중 접근)라고 한다. 통신에서는 이렇게 두 개의 장비들이 데이터를 동시에 보내려다가 부딪치는 경우를 충돌(Collision)이 발생했다고 한다. 만약 충돌이 발생하게 되면 데이터를 전송했던 PC들은 임의의 시간 동안 기다린 다음 다시 데이터를 전송하게 된다. 그래서 Ethernet에서는 너무 많은 충돌이 발생하면 통신 자체가 불가능해지는 경우도 생길 수 있다.

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<참고>

https://powerdeng.tistory.com/11?category=960922

통신 방식의 비교

https://gdnn.tistory.com/65

UART란?(1) 동기, 비동기

https://blog.naver.com/PostView.nhn?isHttpsRedirect=true&blogId=haeri056&logNo=220805367585

이더넷이란? (LAN, WAN, Ethernet, CSMA/CD)