Полезная скорость последовательных интерфейсов

Как считается

Для всех интерфейсов расчёт одинаковый. Сообщение из N полезных байт занимает на линии B битовых интервалов вместе со служебными полями и обязательными паузами. При скорости линии R:

Здесь t_пауза — время, которое программа добавляет между сообщениями сама. Калькулятор считает поток сообщений подряд: это потолок, к которому можно приблизиться с DMA и аппаратными очередями. Все длины полей взяты из спецификаций, а сложение и деление — наш расчёт.

UART

Символ UART — старт-бит, 5–9 бит данных, бит чётности (если включён) и 1, 1,5 или 2 стоп-бита. Подробно кадр разобран в статье про UART и в калькуляторе кадра UART. Бод у UART равен биту в секунду, поэтому байт в формате 8N1 занимает 10 битовых интервалов:

Поле «Пауза между символами» учитывает промежутки, которые оставляет передатчик между байтами. Когда программа кладёт байты в регистр данных по одному из прерывания, паузы появляются почти всегда; с DMA и FIFO символы идут подряд. Пауза измеряется в битовых интервалах: при 115 200 бод один интервал — 8,68 мкс.

SPI

У SPI нет старт- и стоп-битов: байт — это 8 тактов SCK. Накладные расходы дают команда и адрес перед данными, паузы между байтами и время, когда CS неактивен. Чтение 256 байт из флеш-памяти командой 03h с трёхбайтовым адресом на 8 МГц — это 260 байт, 2080 тактов и 260 мкс: 984,6 кБ/с, 98,5 % от частоты SCK. Если между байтами по 4 такта простоя — обычное дело при передаче без DMA, — время растёт до 389,5 мкс, а доля данных падает до 65,7 %. Временную диаграмму кадра и режимы CPOL/CPHA показывает калькулятор кадра SPI.

I²C

Каждый байт на шине I²C занимает 9 тактов SCL: 8 бит и бит подтверждения ACK или NACK. К ним добавляются байт адреса, байты адреса регистра, условия START, повторный START и STOP со своими минимальными временами и пауза tBUF перед следующим START. Калькулятор берёт минимальные времена из табл. 11 UM10204, а такты считает длительностью 1/f_SCL; растяжение такта ведомым не учитывается. Последовательность байтов строится так же, как в калькуляторе транзакций I²C.

Короткие транзакции датчиков используют шину хуже всего: из 45 тактов чтения двух байт данных только 16. Для EEPROM таблица показывает только время на шине — после STOP микросхема ещё записывает страницу во внутреннюю память и до конца записи (время tWR из её даташита) не отвечает на свой адрес.

CAN 2.0A и 2.0B

Классический кадр данных CAN по спецификации Bosch 2.0 — 44 + 8n бит в стандартном формате (идентификатор 11 бит) и 64 + 8n бит в расширенном (29 бит), от SOF до конца EOF, где n — число байт данных, от 0 до 8. После каждого кадра идёт межкадровый интервал из 3 рецессивных битов. От SOF до конца последовательности CRC передатчик после пяти одинаковых битов вставляет противоположный — вставку битов. Их число зависит от данных; наибольшее — $\lfloor (g + 8n - 1)/4 \rfloor$, где g = 34 для стандартного и 54 для расширенного кадра (Davis и др., 2007).

Длины в таблице включают межкадровый интервал. Расширенный кадр с 8 байтами — 131 бит без вставленных битов и 160 в худшем случае, 3125 кадров в секунду на 500 кбит/с. Даже с полными кадрами больше половины времени шины CAN уходит на служебные поля. Кадр по битам с реальным числом вставленных битов строит калькулятор кадра CAN, а про протокол в целом — статья о шине CAN.

Modbus RTU

По спецификации Modbus over Serial Line символ RTU занимает 11 бит: старт-бит, 8 бит данных, бит чётности и стоп-бит, а без чётности — два стоп-бита. Режим 8N1 с 10-битным символом встречается у многих устройств, но в спецификацию не входит — калькулятор считает и его. Кадр — адрес, код функции, данные и CRC из двух байт, кадры разделяет тишина не короче 3,5 символа; выше 19 200 бит/с спецификация рекомендует фиксированные 1,750 мс.

Режим «Опрос 03» считает полный цикл чтения регистров хранения: запрос из 8 байт, тишина t_3,5, задержка ведомого, ответ из 5 + 2n байт и снова t_3,5:

Таблица — без задержки ведомого. Реальные устройства отвечают через единицы и десятки миллисекунд, поэтому на высоких скоростях цикл почти целиком состоит из этой задержки: задайте её в поле «Задержка ответа ведомого». Формат кадра и CRC разбирает калькулятор Modbus RTU, протокол — статья о Modbus RTU.

USB Full Speed, передачи bulk

Скорость линии USB Full Speed — 12 Мбит/с, кадр — 1 мс, то есть 1500 байтовых интервалов. Транзакция bulk на Full Speed несёт пакет данных не больше 8, 16, 32 или 64 байт и по таблице 5-9 спецификации USB 2.0 стоит ещё 13 байт: 3 байта синхронизации, 3 байта PID, 2 байта адреса точки с CRC5, 2 байта CRC16 и межпакетная пауза длиной 3 байта. В кадр помещается столько транзакций, сколько влезает целиком:

Таблица спецификации не учитывает вставку битов: USB вставляет ноль после шести единиц подряд перед кодированием NRZI. В разделе 5.11.3 худший случай оценён как 7/6 времени данных; с ним в кадр помещаются только 17 транзакций по 64 байта — 1088 байт. Это оценки сверху для шины, на которой нет других устройств: пакеты SOF, повторы после NAK и паузы хост-контроллера в таблицу не входят. Про типы передач — в глоссарии, типы передач USB, про шину в целом — статья о USB.

Что калькулятор не учитывает

• Время, которое программа тратит между сообщениями: задайте его полем «Пауза после сообщения».
• Ошибки и повторы: кадры ошибок CAN, повторы Modbus по таймауту, NAK и повторные транзакции USB.
• Арбитраж и чужой трафик на общей шине: у CAN и I²C сообщения других узлов, у USB — других устройств.
• Растяжение такта I²C и время готовности ведомого: если датчик держит SCL, транзакция длится дольше.

Сравнивая интерфейсы, помните и про скорость линии: в UART она ограничена погрешностью тактирования — проверьте делитель калькулятором скорости UART, а скорость бод и бит/с совпадают только у двухуровневого кода.