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 import sigrokdecode
  98
  99 # States
 100 WAIT_FOR_START_BIT = 0
 101 GET_START_BIT = 1
 102 GET_DATA_BITS = 2
 103 GET_PARITY_BIT = 3
 104 GET_STOP_BITS = 4
 105
 106 # Parity options
 107 PARITY_NONE = 0
 108 PARITY_ODD = 1
 109 PARITY_EVEN = 2
 110 PARITY_ZERO = 3
 111 PARITY_ONE = 4
 112
 113 # Stop bit options
 114 STOP_BITS_0_5 = 0
 115 STOP_BITS_1 = 1
 116 STOP_BITS_1_5 = 2
 117 STOP_BITS_2 = 3
 118
 119 # Bit order options
 120 LSB_FIRST = 0
 121 MSB_FIRST = 1
 122
 123 # Output data formats
 124 DATA_FORMAT_ASCII = 0
 125 DATA_FORMAT_HEX = 1
 126
 127 # Given a parity type to check (odd, even, zero, one), the value of the
 128 # parity bit, the value of the data, and the length of the data (5-9 bits,
 129 # usually 8 bits) return True if the parity is correct, False otherwise.
 130 # PARITY_NONE is _not_ allowed as value for 'parity_type'.
 131 def parity_ok(parity_type, parity_bit, data, num_data_bits):
 132
 133     # Handle easy cases first (parity bit is always 1 or 0).
 134     if parity_type == PARITY_ZERO:
 135         return parity_bit == 0
 136     elif parity_type == PARITY_ONE:
 137         return parity_bit == 1
 138
 139     # Count number of 1 (high) bits in the data (and the parity bit itself!).
 140     parity = bin(data).count('1') + parity_bit
 141
 142     # Check for odd/even parity.
 143     if parity_type == PARITY_ODD:
 144         return (parity % 2) == 1
 145     elif parity_type == PARITY_EVEN:
 146         return (parity % 2) == 0
 147     else:
 148         raise Exception('Invalid parity type: %d' % parity_type)
 149
 150 class Decoder(sigrokdecode.Decoder):
 151     id = 'uart'
 152     name = 'UART'
 153     longname = 'Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART)'
 154     desc = 'Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART)'
 155     longdesc = 'TODO.'
 156     author = 'Uwe Hermann'
 157     email = 'uwe@hermann-uwe.de'
 158     license = 'gplv2+'
 159     inputs = ['logic']
 160     outputs = ['uart']
 161     probes = [
 162         # Allow specifying only one of the signals, e.g. if only one data
 163         # direction exists (or is relevant).
 164         {'id': 'rx', 'name': 'RX', 'desc': 'UART receive line'},
 165         {'id': 'tx', 'name': 'TX', 'desc': 'UART transmit line'},
 166     ]
 167     options = {
 168         'baudrate': ['UART baud rate', 115200],
 169         'num_data_bits': ['Data bits', 8], # Valid: 5-9.
 170         'parity': ['Parity', PARITY_NONE],
 171         'parity_check': ['Check parity', True],
 172         'num_stop_bits': ['Stop bit(s)', STOP_BITS_1],
 173         'bit_order': ['Bit order', LSB_FIRST],
 174         'data_format': ['Output data format', DATA_FORMAT_ASCII],
 175         # TODO: Options to invert the signal(s).
 176         # ...
 177     }
 178
 179     def __init__(self, **kwargs):
 180         self.output_protocol = None
 181         self.output_annotation = None
 182
 183         # Set defaults, can be overridden in 'start'.
 184         self.baudrate = 115200
 185         self.num_data_bits = 8
 186         self.parity = PARITY_NONE
 187         self.check_parity = True
 188         self.num_stop_bits = 1
 189         self.bit_order = LSB_FIRST
 190         self.data_format = DATA_FORMAT_ASCII
 191
 192         self.samplenum = 0
 193         self.frame_start = -1
 194         self.startbit = -1
 195         self.cur_data_bit = 0
 196         self.databyte = 0
 197         self.stopbit1 = -1
 198         self.startsample = -1
 199
 200         # Initial state.
 201         self.staterx = WAIT_FOR_START_BIT
 202
 203         self.oldrx = None
 204         self.oldtx = None
 205
 206     def start(self, metadata):
 207         self.samplerate = metadata['samplerate']
 208         # self.output_protocol = self.output_new(2)
 209         self.output_annotation = self.output_new(1)
 210
 211         # TODO
 212         ### self.baudrate = metadata['baudrate']
 213         ### self.num_data_bits = metadata['num_data_bits']
 214         ### self.parity = metadata['parity']
 215         ### self.parity_check = metadata['parity_check']
 216         ### self.num_stop_bits = metadata['num_stop_bits']
 217         ### self.bit_order = metadata['bit_order']
 218         ### self.data_format = metadata['data_format']
 219
 220         # The width of one UART bit in number of samples.
 221         self.bit_width = float(self.samplerate) / float(self.baudrate)
 222
 223     def report(self):
 224         pass
 225
 226     # Return true if we reached the middle of the desired bit, false otherwise.
 227     def reached_bit(self, bitnum):
 228         # bitpos is the samplenumber which is in the middle of the
 229         # specified UART bit (0 = start bit, 1..x = data, x+1 = parity bit
 230         # (if used) or the first stop bit, and so on).
 231         bitpos = self.frame_start + (self.bit_width / 2.0)
 232         bitpos += bitnum * self.bit_width
 233         if self.samplenum >= bitpos:
 234             return True
 235         return False
 236
 237     def reached_bit_last(self, bitnum):
 238         bitpos = self.frame_start + ((bitnum + 1) * self.bit_width)
 239         if self.samplenum >= bitpos:
 240             return True
 241         return False
 242
 243     def wait_for_start_bit(self, old_signal, signal):
 244         # The start bit is always 0 (low). As the idle UART (and the stop bit)
 245         # level is 1 (high), the beginning of a start bit is a falling edge.
 246         if not (old_signal == 1 and signal == 0):
 247             return
 248
 249         # Save the sample number where the start bit begins.
 250         self.frame_start = self.samplenum
 251
 252         self.staterx = GET_START_BIT
 253
 254     def get_start_bit(self, signal):
 255         # Skip samples until we're in the middle of the start bit.
 256         if not self.reached_bit(0):
 257             return []
 258
 259         self.startbit = signal
 260
 261         if self.startbit != 0:
 262             # TODO: Startbit must be 0. If not, we report an error.
 263             pass
 264
 265         self.cur_data_bit = 0
 266         self.databyte = 0
 267         self.startsample = -1
 268
 269         self.staterx = GET_DATA_BITS
 270
 271         o = [{'type': 'S', 'range': (self.frame_start, self.samplenum),
 272              'data': None, 'ann': 'Start bit'}]
 273         return o
 274
 275     def get_data_bits(self, signal):
 276         # Skip samples until we're in the middle of the desired data bit.
 277         if not self.reached_bit(self.cur_data_bit + 1):
 278             return []
 279
 280         # Save the sample number where the data byte starts.
 281         if self.startsample == -1:
 282             self.startsample = self.samplenum
 283
 284         # Get the next data bit in LSB-first or MSB-first fashion.
 285         if self.bit_order == LSB_FIRST:
 286             self.databyte >>= 1
 287             self.databyte |= (signal << (self.num_data_bits - 1))
 288         elif self.bit_order == MSB_FIRST:
 289             self.databyte <<= 1
 290             self.databyte |= (signal << 0)
 291         else:
 292             raise Exception('Invalid bit order value: %d', self.bit_order)
 293
 294         # Return here, unless we already received all data bits.
 295         if self.cur_data_bit < self.num_data_bits - 1: # TODO? Off-by-one?
 296             self.cur_data_bit += 1
 297             return []
 298
 299         # Convert the data byte into the configured format.
 300         if self.data_format == DATA_FORMAT_ASCII:
 301             d = chr(self.databyte)
 302         elif self.data_format == DATA_FORMAT_HEX:
 303             d = '0x%02x' % self.databyte
 304         else:
 305             raise Exception('Invalid data format value: %d', self.data_format)
 306
 307         self.staterx = GET_PARITY_BIT
 308
 309         o = [{'type': 'D', 'range': (self.startsample, self.samplenum - 1),
 310              'data': d, 'ann': None}]
 311
 312         return o
 313
 314     def get_parity_bit(self, signal):
 315         # If no parity is used/configured, skip to the next state immediately.
 316         if self.parity == PARITY_NONE:
 317             self.staterx = GET_STOP_BITS
 318             return []
 319
 320         # Skip samples until we're in the middle of the parity bit.
 321         if not self.reached_bit(self.num_data_bits + 1):
 322             return []
 323
 324         self.paritybit = signal
 325
 326         self.staterx = GET_STOP_BITS
 327
 328         if parity_ok(self.parity, self.paritybit, self.databyte,
 329                      self.num_data_bits):
 330             # TODO: Fix range.
 331             o = [{'type': 'P', 'range': (self.samplenum, self.samplenum),
 332                  'data': self.paritybit, 'ann': 'Parity bit'}]
 333         else:
 334             o = [{'type': 'PE', 'range': (self.samplenum, self.samplenum),
 335                  'data': self.paritybit, 'ann': 'Parity error'}]
 336
 337         return o
 338
 339     # TODO: Currently only supports 1 stop bit.
 340     def get_stop_bits(self, signal):
 341         # Skip samples until we're in the middle of the stop bit(s).
 342         skip_parity = 0 if self.parity == PARITY_NONE else 1
 343         if not self.reached_bit(self.num_data_bits + 1 + skip_parity):
 344             return []
 345
 346         self.stopbit1 = signal
 347
 348         if self.stopbit1 != 1:
 349             # TODO: Stop bits must be 1. If not, we report an error.
 350             pass
 351
 352         self.staterx = WAIT_FOR_START_BIT
 353
 354         # TODO: Fix range.
 355         o = [{'type': 'P', 'range': (self.samplenum, self.samplenum),
 356              'data': None, 'ann': 'Stop bit'}]
 357         return o
 358
 359     def decode(self, timeoffset, duration, data): # TODO
 360         out = []
 361
 362         # for (samplenum, (rx, tx)) in data:
 363         for (samplenum, (rx,)) in data:
 364
 365             # TODO: Start counting at 0 or 1? Increase before or after?
 366             self.samplenum += 1
 367
 368             # First sample: Save RX/TX value.
 369             if self.oldrx == None:
 370                 # Get RX/TX bit values (0/1 for low/high) of the first sample.
 371                 self.oldrx = rx
 372                 # self.oldtx = tx
 373                 continue
 374
 375             # State machine.
 376             if self.staterx == WAIT_FOR_START_BIT:
 377                 self.wait_for_start_bit(self.oldrx, rx)
 378             elif self.staterx == GET_START_BIT:
 379                 out += self.get_start_bit(rx)
 380             elif self.staterx == GET_DATA_BITS:
 381                 out += self.get_data_bits(rx)
 382             elif self.staterx == GET_PARITY_BIT:
 383                 out += self.get_parity_bit(rx)
 384             elif self.staterx == GET_STOP_BITS:
 385                 out += self.get_stop_bits(rx)
 386             else:
 387                 raise Exception('Invalid state: %s' % self.staterx)
 388
 389             # Save current RX/TX values for the next round.
 390             self.oldrx = rx
 391             # self.oldtx = tx
 392
 393         if out != []:
 394             # self.put(0, 0, self.output_protocol, out_proto)
 395             self.put(0, 0, self.output_annotation, out)
 396