c9f787583d7ee934610c13478f5f5451bf4d6b82
[libsigrokdecode.git] / decoders / uart.py
1 ##
2 ## This file is part of the sigrok project.
3 ##
4 ## Copyright (C) 2011 Uwe Hermann <uwe@hermann-uwe.de>
5 ##
6 ## This program is free software; you can redistribute it and/or modify
7 ## it under the terms of the GNU General Public License as published by
8 ## the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
9 ## (at your option) any later version.
10 ##
11 ## This program is distributed in the hope that it will be useful,
12 ## but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13 ## MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14 ## GNU General Public License for more details.
15 ##
16 ## You should have received a copy of the GNU General Public License
17 ## along with this program; if not, write to the Free Software
18 ## Foundation, Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301 USA
19 ##
20
21 #
22 # UART protocol decoder
23 #
24
25 #
26 # Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) is a simple serial
27 # communication protocol which allows two devices to talk to each other.
28 #
29 # It uses just two data signals and a ground (GND) signal:
30 #  - RX/RXD: Receive signal
31 #  - TX/TXD: Transmit signal
32 #
33 # The protocol is asynchronous, i.e., there is no dedicated clock signal.
34 # Rather, both devices have to agree on a baudrate (number of bits to be
35 # transmitted per second) beforehand. Baudrates can be arbitrary in theory,
36 # but usually the choice is limited by the hardware UARTs that are used.
37 # Common values are 9600 or 115200.
38 #
39 # The protocol allows full-duplex transmission, i.e. both devices can send
40 # data at the same time. However, unlike SPI (which is always full-duplex,
41 # i.e., each send operation is automatically also a receive operation), UART
42 # allows one-way communication, too. In such a case only one signal (and GND)
43 # is required.
44 #
45 # The data is sent over the TX line in so-called 'frames', which consist of:
46 #  - Exactly one start bit (always 0/low).
47 #  - Between 5 and 9 data bits.
48 #  - An (optional) parity bit.
49 #  - One or more stop bit(s).
50 #
51 # The idle state of the RX/TX line is 1/high. As the start bit is 0/low, the
52 # receiver can continually monitor its RX line for a falling edge, in order
53 # to detect the start bit.
54 #
55 # Once detected, it can (due to the agreed-upon baudrate and thus the known
56 # width/duration of one UART bit) sample the state of the RX line "in the
57 # middle" of each (start/data/parity/stop) bit it wants to analyze.
58 #
59 # It is configurable whether there is a parity bit in a frame, and if yes,
60 # which type of parity is used:
61 #  - None: No parity bit is included.
62 #  - Odd: The number of 1 bits in the data (and parity bit itself) is odd.
63 #  - Even: The number of 1 bits in the data (and parity bit itself) is even.
64 #  - Mark/one: The parity bit is always 1/high (also called 'mark state').
65 #  - Space/zero: The parity bit is always 0/low (also called 'space state').
66 #
67 # It is also configurable how many stop bits are to be used:
68 #  - 1 stop bit (most common case)
69 #  - 2 stop bits
70 #  - 1.5 stop bits (i.e., one stop bit, but 1.5 times the UART bit width)
71 #  - 0.5 stop bits (i.e., one stop bit, but 0.5 times the UART bit width)
72 #
73 # The bit order of the 5-9 data bits is LSB-first.
74 #
75 # Possible special cases:
76 #  - One or both data lines could be inverted, which also means that the idle
77 #    state of the signal line(s) is low instead of high.
78 #  - Only the data bits on one or both data lines (and the parity bit) could
79 #    be inverted (but the start/stop bits remain non-inverted).
80 #  - The bit order could be MSB-first instead of LSB-first.
81 #  - The baudrate could change in the middle of the communication. This only
82 #    happens in very special cases, and can only work if both devices know
83 #    to which baudrate they are to switch, and when.
84 #  - Theoretically, the baudrate on RX and the one on TX could also be
85 #    different, but that's a very obscure case and probably doesn't happen
86 #    very often in practice.
87 #
88 # Error conditions:
89 #  - If there is a parity bit, but it doesn't match the expected parity,
90 #    this is called a 'parity error'.
91 #  - If there are no stop bit(s), that's called a 'frame error'.
92 #
93 # More information:
94 # TODO: URLs
95 #
96
97 #
98 # Protocol output format:
99 # put(<startsample>, <endsample>, self.out_proto, <packet>)
100 #
101 # The <packet> is a list with two entries:
102 # [<packet-type>, <packet-data>]
103 #
104 # Valid packet-type values: T_START, T_DATA, T_PARITY, T_STOP, T_INVALID_START,
105 # T_INVALID_STOP, T_PARITY_ERROR
106 #
107 # The packet-data field has the following format and meaning:
108 #  - T_START: The data is the (integer) value of the start bit (0 or 1).
109 #  - T_DATA: The data is the (integer) value of the UART data. Valid values
110 #    range from 0 to 512 (as the data can be up to 9 bits in size).
111 #  - T_PARITY: The data is the (integer) value of the parity bit (0 or 1).
112 #  - T_STOP: The data is the (integer) value of the stop bit (0 or 1).
113 #  - T_INVALID_START: The data is the (integer) value of the start bit (0 or 1).
114 #  - T_INVALID_STOP: The data is the (integer) value of the stop bit (0 or 1).
115 #  - T_PARITY_ERROR: The data is a tuple with two entries. The first one is
116 #    the expected parity value, the second is the actual parity value.
117 #
118 # Examples:
119 # [T_START, 0]
120 # [T_DATA, 65]
121 # [T_PARITY, 0]
122 # [T_STOP, 1]
123 # [T_INVALID_START, 1]
124 # [T_INVALID_STOP, 0]
125 # [T_PARITY_ERROR, (0, 1)]
126 #
127
128 import sigrokdecode
129
130 # States
131 WAIT_FOR_START_BIT = 0
132 GET_START_BIT = 1
133 GET_DATA_BITS = 2
134 GET_PARITY_BIT = 3
135 GET_STOP_BITS = 4
136
137 # Parity options
138 PARITY_NONE = 0
139 PARITY_ODD = 1
140 PARITY_EVEN = 2
141 PARITY_ZERO = 3
142 PARITY_ONE = 4
143
144 # Stop bit options
145 STOP_BITS_0_5 = 0
146 STOP_BITS_1 = 1
147 STOP_BITS_1_5 = 2
148 STOP_BITS_2 = 3
149
150 # Bit order options
151 LSB_FIRST = 0
152 MSB_FIRST = 1
153
154 # Annotation feed formats
155 ANN_ASCII = 0
156 ANN_DEC = 1
157 ANN_HEX = 2
158 ANN_OCT = 3
159 ANN_BITS = 4
160
161 # Protocol output packet types
162 T_START = 0
163 T_DATA = 1
164 T_PARITY = 2
165 T_STOP = 3
166 T_INVALID_START = 4
167 T_INVALID_STOP = 5
168 T_PARITY_ERROR = 6
169
170 # Given a parity type to check (odd, even, zero, one), the value of the
171 # parity bit, the value of the data, and the length of the data (5-9 bits,
172 # usually 8 bits) return True if the parity is correct, False otherwise.
173 # PARITY_NONE is _not_ allowed as value for 'parity_type'.
174 def parity_ok(parity_type, parity_bit, data, num_data_bits):
175
176     # Handle easy cases first (parity bit is always 1 or 0).
177     if parity_type == PARITY_ZERO:
178         return parity_bit == 0
179     elif parity_type == PARITY_ONE:
180         return parity_bit == 1
181
182     # Count number of 1 (high) bits in the data (and the parity bit itself!).
183     parity = bin(data).count('1') + parity_bit
184
185     # Check for odd/even parity.
186     if parity_type == PARITY_ODD:
187         return (parity % 2) == 1
188     elif parity_type == PARITY_EVEN:
189         return (parity % 2) == 0
190     else:
191         raise Exception('Invalid parity type: %d' % parity_type)
192
193 class Decoder(sigrokdecode.Decoder):
194     id = 'uart'
195     name = 'UART'
196     longname = 'Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART)'
197     desc = 'Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART)'
198     longdesc = 'TODO.'
199     author = 'Uwe Hermann'
200     email = 'uwe@hermann-uwe.de'
201     license = 'gplv2+'
202     inputs = ['logic']
203     outputs = ['uart']
204     probes = [
205         # Allow specifying only one of the signals, e.g. if only one data
206         # direction exists (or is relevant).
207         {'id': 'rx', 'name': 'RX', 'desc': 'UART receive line'},
208         {'id': 'tx', 'name': 'TX', 'desc': 'UART transmit line'},
209     ]
210     options = {
211         'baudrate': ['UART baud rate', 115200],
212         'num_data_bits': ['Data bits', 8], # Valid: 5-9.
213         'parity': ['Parity', PARITY_NONE],
214         'parity_check': ['Check parity', True],
215         'num_stop_bits': ['Stop bit(s)', STOP_BITS_1],
216         'bit_order': ['Bit order', LSB_FIRST],
217         # TODO: Options to invert the signal(s).
218         # ...
219     }
220     annotations = [
221         # ANN_ASCII
222         ["ASCII", "TODO: description"],
223         # ANN_DEC
224         ["Decimal", "TODO: description"],
225         # ANN_HEX
226         ["Hex", "TODO: description"],
227         # ANN_OCT
228         ["Octal", "TODO: description"],
229         # ANN_BITS
230         ["Bits", "TODO: description"],
231     ]
232
233     def __init__(self, **kwargs):
234         self.out_proto = None
235         self.out_ann = None
236
237         # Set defaults, can be overridden in 'start'.
238         self.baudrate = 115200
239         self.num_data_bits = 8
240         self.parity = PARITY_NONE
241         self.check_parity = True
242         self.num_stop_bits = 1
243         self.bit_order = LSB_FIRST
244
245         self.samplenum = 0
246         self.frame_start = -1
247         self.startbit = -1
248         self.cur_data_bit = 0
249         self.databyte = 0
250         self.stopbit1 = -1
251         self.startsample = -1
252
253         # Initial state.
254         self.staterx = WAIT_FOR_START_BIT
255
256         self.oldrx = None
257         self.oldtx = None
258
259     def start(self, metadata):
260         self.samplerate = metadata['samplerate']
261         self.out_proto = self.add(sigrokdecode.SRD_OUTPUT_PROTO, 'uart')
262         self.out_ann = self.add(sigrokdecode.SRD_OUTPUT_ANN, 'uart')
263
264         # TODO
265         ### self.baudrate = metadata['baudrate']
266         ### self.num_data_bits = metadata['num_data_bits']
267         ### self.parity = metadata['parity']
268         ### self.parity_check = metadata['parity_check']
269         ### self.num_stop_bits = metadata['num_stop_bits']
270         ### self.bit_order = metadata['bit_order']
271
272         # The width of one UART bit in number of samples.
273         self.bit_width = float(self.samplerate) / float(self.baudrate)
274
275     def report(self):
276         pass
277
278     # Return true if we reached the middle of the desired bit, false otherwise.
279     def reached_bit(self, bitnum):
280         # bitpos is the samplenumber which is in the middle of the
281         # specified UART bit (0 = start bit, 1..x = data, x+1 = parity bit
282         # (if used) or the first stop bit, and so on).
283         bitpos = self.frame_start + (self.bit_width / 2.0)
284         bitpos += bitnum * self.bit_width
285         if self.samplenum >= bitpos:
286             return True
287         return False
288
289     def reached_bit_last(self, bitnum):
290         bitpos = self.frame_start + ((bitnum + 1) * self.bit_width)
291         if self.samplenum >= bitpos:
292             return True
293         return False
294
295     def wait_for_start_bit(self, old_signal, signal):
296         # The start bit is always 0 (low). As the idle UART (and the stop bit)
297         # level is 1 (high), the beginning of a start bit is a falling edge.
298         if not (old_signal == 1 and signal == 0):
299             return
300
301         # Save the sample number where the start bit begins.
302         self.frame_start = self.samplenum
303
304         self.staterx = GET_START_BIT
305
306     def get_start_bit(self, signal):
307         # Skip samples until we're in the middle of the start bit.
308         if not self.reached_bit(0):
309             return
310
311         self.startbit = signal
312
313         # The startbit must be 0. If not, we report an error.
314         if self.startbit != 0:
315             self.put(self.frame_start, self.samplenum, self.out_proto,
316                      [T_INVALID_START, self.startbit])
317             # TODO: Abort? Ignore rest of the frame?
318
319         self.cur_data_bit = 0
320         self.databyte = 0
321         self.startsample = -1
322
323         self.staterx = GET_DATA_BITS
324
325         self.put(self.frame_start, self.samplenum, self.out_proto,
326                  [T_START, self.startbit])
327         self.put(self.frame_start, self.samplenum, self.out_ann,
328                  [ANN_ASCII, ['Start bit', 'Start', 'S']])
329
330     def get_data_bits(self, signal):
331         # Skip samples until we're in the middle of the desired data bit.
332         if not self.reached_bit(self.cur_data_bit + 1):
333             return
334
335         # Save the sample number where the data byte starts.
336         if self.startsample == -1:
337             self.startsample = self.samplenum
338
339         # Get the next data bit in LSB-first or MSB-first fashion.
340         if self.bit_order == LSB_FIRST:
341             self.databyte >>= 1
342             self.databyte |= (signal << (self.num_data_bits - 1))
343         elif self.bit_order == MSB_FIRST:
344             self.databyte <<= 1
345             self.databyte |= (signal << 0)
346         else:
347             raise Exception('Invalid bit order value: %d', self.bit_order)
348
349         # Return here, unless we already received all data bits.
350         if self.cur_data_bit < self.num_data_bits - 1: # TODO? Off-by-one?
351             self.cur_data_bit += 1
352             return
353
354         self.staterx = GET_PARITY_BIT
355
356         self.put(self.startsample, self.samplenum - 1, self.out_proto,
357                  [T_DATA, self.databyte])
358
359         self.put(self.startsample, self.samplenum - 1, self.out_ann,
360                  [ANN_ASCII, [chr(self.databyte)]])
361         self.put(self.startsample, self.samplenum - 1, self.out_ann,
362                  [ANN_DEC, [str(self.databyte)]])
363         self.put(self.startsample, self.samplenum - 1, self.out_ann,
364                  [ANN_HEX, [hex(self.databyte), hex(self.databyte)[2:]]])
365         self.put(self.startsample, self.samplenum - 1, self.out_ann,
366                  [ANN_OCT, [oct(self.databyte), oct(self.databyte)[2:]]])
367         self.put(self.startsample, self.samplenum - 1, self.out_ann,
368                  [ANN_BITS, [bin(self.databyte), bin(self.databyte)[2:]]])
369
370     def get_parity_bit(self, signal):
371         # If no parity is used/configured, skip to the next state immediately.
372         if self.parity == PARITY_NONE:
373             self.staterx = GET_STOP_BITS
374             return
375
376         # Skip samples until we're in the middle of the parity bit.
377         if not self.reached_bit(self.num_data_bits + 1):
378             return
379
380         self.paritybit = signal
381
382         self.staterx = GET_STOP_BITS
383
384         if parity_ok(self.parity, self.paritybit, self.databyte,
385                      self.num_data_bits):
386             # TODO: Fix range.
387             self.put(self.samplenum, self.samplenum, self.out_proto,
388                      [T_PARITY_BIT, self.paritybit])
389             self.put(self.samplenum, self.samplenum, self.out_ann,
390                      [ANN_ASCII, ['Parity bit', 'Parity', 'P']])
391         else:
392             # TODO: Fix range.
393             # TODO: Return expected/actual parity values.
394             self.put(self.samplenum, self.samplenum, self.out_proto,
395                      [T_PARITY_ERROR, (0, 1)]) # FIXME: Dummy tuple...
396             self.put(self.samplenum, self.samplenum, self.out_ann,
397                      [ANN_ASCII, ['Parity error', 'Parity err', 'PE']])
398
399     # TODO: Currently only supports 1 stop bit.
400     def get_stop_bits(self, signal):
401         # Skip samples until we're in the middle of the stop bit(s).
402         skip_parity = 0 if self.parity == PARITY_NONE else 1
403         if not self.reached_bit(self.num_data_bits + 1 + skip_parity):
404             return
405
406         self.stopbit1 = signal
407
408         # Stop bits must be 1. If not, we report an error.
409         if self.stopbit1 != 1:
410             self.put(self.frame_start, self.samplenum, self.out_proto,
411                      [T_INVALID_STOP, self.stopbit1])
412             # TODO: Abort? Ignore the frame? Other?
413
414         self.staterx = WAIT_FOR_START_BIT
415
416         # TODO: Fix range.
417         self.put(self.samplenum, self.samplenum, self.out_proto,
418                  [T_STOP, self.stopbit1])
419         self.put(self.samplenum, self.samplenum, self.out_ann,
420                  [ANN_ASCII, ['Stop bit', 'Stop', 'P']])
421
422     def decode(self, timeoffset, duration, data): # TODO
423         # for (samplenum, (rx, tx)) in data:
424         for (samplenum, (rx,)) in data:
425
426             # TODO: Start counting at 0 or 1? Increase before or after?
427             self.samplenum += 1
428
429             # First sample: Save RX/TX value.
430             if self.oldrx == None:
431                 # Get RX/TX bit values (0/1 for low/high) of the first sample.
432                 self.oldrx = rx
433                 # self.oldtx = tx
434                 continue
435
436             # State machine.
437             if self.staterx == WAIT_FOR_START_BIT:
438                 self.wait_for_start_bit(self.oldrx, rx)
439             elif self.staterx == GET_START_BIT:
440                 self.get_start_bit(rx)
441             elif self.staterx == GET_DATA_BITS:
442                 self.get_data_bits(rx)
443             elif self.staterx == GET_PARITY_BIT:
444                 self.get_parity_bit(rx)
445             elif self.staterx == GET_STOP_BITS:
446                 self.get_stop_bits(rx)
447             else:
448                 raise Exception('Invalid state: %s' % self.staterx)
449
450             # Save current RX/TX values for the next round.
451             self.oldrx = rx
452             # self.oldtx = tx
453
454         # if proto != []:
455         #     self.put(0, 0, self.out_proto, proto)
456         # if ann != []:
457         #     self.put(0, 0, self.out_ann, ann)
458