Serial Port là một chuẩn giao tiếp đóng vai trò nền tảng trong việc truyền và nhận dữ liệu từng bit một giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi hoặc giữa các thiết bị công nghiệp với nhau. Hãy cùng Thanh Thiên Phú tìm hiểu chi tiết về serial port trong bài viết dưới đây nhé !
1. Serial Port là gì?
Cổng nối tiếp hay còn gọi là Serial Port, là một trong những giao diện kết nối phổ biến có mặt trên nhiều thiết bị hiện nay, chẳng hạn như modem, router, tường lửa và máy in. Loại cổng này được phát triển từ nhiều thập kỷ trước, cho phép truyền dữ liệu một cách tuần tự giữa các thiết bị tương thích. Khi hoạt động, cổng nối tiếp sẽ truyền một byte dữ liệu bằng cách gửi 8 bit của byte đó trong một lần.
Cổng nối tiếp (Serial Port) còn được gọi là cổng COM (Communication), cho phép thiết lập kết nối hai chiều giữa các thiết bị nhằm truyền và nhận dữ liệu cùng lúc. Các thiết bị sử dụng cổng nối tiếp thường có các đầu kết nối khác nhau để hỗ trợ quá trình giao tiếp song công, có nghĩa là có thể nhận và gửi dữ liệu một cách đồng thời.
Khi các thiết bị sử dụng cùng một loại đầu kết nối, khả năng giao tiếp sẽ bị giới hạn ở chế độ bán song công, tức là dữ liệu chỉ có thể được truyền theo một hướng tại một thời điểm duy nhất.
2. Lịch sử hình thành và phát triển của Serial Port (cổng nối tiếp)
Giao tiếp nối tiếp có nguồn gốc từ rất sớm trong lịch sử điện toán và viễn thông. Ban đầu, nó được sử dụng cho các máy điện báo (teletypewriters) để gửi và nhận văn bản qua đường dây điện thoại.
Vào những năm 1960, Hiệp hội Công nghiệp Điện tử (EIA) đã chuẩn hóa giao diện RS-232 (Recommended Standard 232), tạo ra một tiêu chuẩn chung cho việc kết nối máy tính với các thiết bị đầu cuối như modem. Chuẩn RS-232 nhanh chóng trở nên phổ biến và là cổng giao tiếp tiêu chuẩn trên hầu hết các máy tính cá nhân trong nhiều thập kỷ.
Mặc dù sự ra đời của các chuẩn giao tiếp nhanh hơn như USB (Universal Serial Bus) và Ethernet đã khiến serial port dần biến mất khỏi các máy tính tiêu dùng hiện đại, nó vẫn giữ một vị trí không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là công nghiệp và các hệ thống nhúng.
Lý do nằm ở sự đơn giản, chi phí thấp, độ tin cậy cao trong môi trường nhiễu và khả năng tương thích với một lượng lớn các thiết bị cũ và mới. Các chuẩn nối tiếp cải tiến như RS-422 và RS-485 đã khắc phục những hạn chế về khoảng cách và khả năng kết nối đa điểm của RS-232, củng cố thêm vai trò của giao tiếp nối tiếp trong công nghiệp.
Ngày nay, khi bạn cần kết nối với một bộ lập trình PLC, cấu hình một thiết bị mạng, giao tiếp với một cảm biến công nghiệp chuyên dụng, hay gỡ lỗi một hệ thống nhúng, rất có thể bạn sẽ cần đến serial port hoặc các bộ chuyển đổi liên quan.
3. Các loại cổng Serial Port phổ biến
Mặc dù người ta thường gọi chung là serial port, thực tế có nhiều chuẩn giao tiếp nối tiếp khác nhau, mỗi chuẩn có đặc điểm kỹ thuật và ứng dụng riêng. Việc lựa chọn đúng chuẩn là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Dưới đây là bảng so sánh ba loại cổng serial port phổ biến nhất mà các kỹ sư điện và kỹ thuật viên thường xuyên gặp phải.
| Tiêu chí | RS-232 | RS-422 | RS-485 |
| Số lượng thiết bị hỗ trợ | 1 thiết bị phát
1 thiết bị nhận |
5 thiết bị phát
10 thiết bị nhận cho 1 thiết bị phát |
32 thiết bị phát
32 thiết bị nhận |
| Loại giao thức | Song công | Song công | Bán song công |
| Chiều dài cáp tối đa | 15.25m với tốc độ 19.2Kbps | 1220m với tốc độ 100Kbps | 1220m với tốc độ 100Kbps |
| Tốc độ truyền dữ liệu tối đa | 19.2Kbps cho 15m | 10Mbps cho 15m | 10Mbps cho 15m |
| Tín hiệu | Không cân bằng | Cân bằng | Cân bằng |
| Điện áp đầu vào tối thiểu | +/- 3V | 0.2V vi sai | 0.2V vi sai |
| Dòng điện đầu ra | 500mA | 150mA | 250mA |
4. Cấu tạo của cổng nối tiếp (Serial Port)
Để kết nối và sử dụng serial port một cách hiệu quả, việc nhận biết các loại đầu nối vật lý và hiểu ý nghĩa của từng chân tín hiệu là điều không thể thiếu. Mặc dù có nhiều biến thể, hai loại đầu nối phổ biến nhất gắn liền với chuẩn RS-232 trên máy tính và nhiều thiết bị công nghiệp là DB9 và DB25.
Khi nói đến cổng nối tiếp, việc nhận biết các loại đầu nối (connector) cũng quan trọng không kém việc hiểu rõ các chuẩn giao tiếp. Đầu nối phổ biến nhất trên các máy tính cá nhân và laptop thế hệ cũ là DB9 (hay DE-9). Nó có dạng hình thang đặc trưng với 9 chân (đầu đực) hoặc 9 lỗ (đầu cái). Mặc dù có 9 chân, không phải tất cả đều được sử dụng cho việc truyền dữ liệu cơ bản theo chuẩn RS-232.
Thực chất, DB9 là phiên bản thu nhỏ của đầu nối nguyên thủy DB25 (DA-25). Với kích thước lớn hơn và 25 chân/lỗ, DB25 bao gồm đầy đủ các tín hiệu điều khiển và phụ trợ theo đặc tả gốc của RS-232. Tuy nhiên, do nhiều chân không cần thiết cho các ứng dụng thông thường, phiên bản DB9 nhỏ gọn hơn đã ra đời và trở nên thông dụng. Dù vậy, cổng DB25 vẫn có thể được tìm thấy trên một số thiết bị công nghiệp, máy in cũ hay các thiết bị viễn thông chuyên dụng.
Ngoài hai loại DB-connector truyền thống, trong các môi trường đặc thù còn xuất hiện nhiều dạng kết nối khác. Chẳng hạn, một số thiết bị mạng của Cisco hay Juniper sử dụng cổng console có dạng RJ45. Dù có hình dạng giống cổng Ethernet, nó lại truyền tín hiệu theo chuẩn RS-232 và đòi hỏi một loại cáp chuyển đổi đặc biệt gọi là rollover cable. Trong môi trường công nghiệp, đặc biệt là cho kết nối RS-422 và RS-485, Terminal Block (cầu đấu dây) lại rất phổ biến.
Kiểu kết nối này cho phép đấu dây trực tiếp bằng vít kẹp, đảm bảo kết nối chắc chắn và dễ dàng khi cần đấu nối nhiều thiết bị trên cùng một bus. Cuối cùng, trên các bo mạch phát triển như Arduino hay Raspberry Pi, giao tiếp TTL Serial thường được đưa ra dưới dạng các Header Pins. Các chân cắm này dùng để kết nối trực tiếp với các module khác hoặc với cáp chuyển đổi USB-to-TTL để giao tiếp với máy tính.
5. Nguyên lý hoạt động của Serial Port (cổng nối tiếp)
Quá trình truyền dữ liệu qua Cổng nối tiếp (Serial Port) diễn ra khá đơn giản như sau:
Trước hết, để thiết lập kết nối Serial, chúng ta cần hai thiết bị nối tiếp khác nhau, mỗi thiết bị phải được trang bị hai chân nối tiếp, bao gồm chân thu RX và chân phát TX.
Hai thiết bị này sẽ được kết nối với nhau bằng một sợi dây, trong đó dây từ chân TX của thiết bị phát sẽ nối đến chân RX của thiết bị nhận. Các thiết bị sử dụng giao thức Serial sẽ trao đổi thông tin thông qua các tín hiệu, thường là tín hiệu TTL Serial hoặc RS-232.
6. Kiểm soát luồng
Trong truyền thông nối tiếp, đặc biệt là khi hoạt động ở tốc độ cao hoặc truyền các khối dữ liệu lớn, có một vấn đề tiềm ẩn: tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị gửi (Transmitter) có thể vượt quá khả năng xử lý hoặc lưu trữ tạm thời của thiết bị nhận (Receiver).
Mỗi thiết bị nhận đều có một bộ đệm (buffer) với dung lượng giới hạn để lưu trữ dữ liệu đến trước khi nó được xử lý bởi ứng dụng hoặc CPU. Nếu dữ liệu đến quá nhanh và bộ đệm bị đầy, các byte dữ liệu tiếp theo sẽ bị mất (data overrun hoặc buffer overflow), dẫn đến thông tin không đầy đủ hoặc sai lệch.
Kiểm soát luồng (Flow Control), hay còn gọi là bắt tay (handshaking), là tập hợp các cơ chế được thiết kế để giải quyết vấn đề này. Nó cho phép thiết bị nhận báo hiệu cho thiết bị gửi biết trạng thái sẵn sàng nhận dữ liệu của mình, cụ thể là yêu cầu tạm dừng truyền khi bộ đệm gần đầy và yêu cầu tiếp tục truyền khi bộ đệm đã có đủ không gian trống.
Để ngăn chặn tình trạng mất dữ liệu khi bộ đệm của thiết bị nhận bị quá tải, các cơ chế kiểm soát luồng (Flow Control) đã được phát triển. Có ba phương pháp chính, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau.
Phương pháp đơn giản nhất là không sử dụng kiểm soát luồng (None). Trong cơ chế này, thiết bị gửi truyền dữ liệu một cách liên tục mà không cần biết liệu bên nhận có sẵn sàng hay không. Phương pháp này chỉ phù hợp cho các kết nối tốc độ thấp hoặc khi dữ liệu được gửi không liên tục và có các khoảng nghỉ tự nhiên. Tuy nhiên, khi truyền tải lượng lớn dữ liệu ở tốc độ cao, rủi ro mất mát thông tin do tràn bộ đệm (buffer overflow) là rất lớn nếu bên nhận không xử lý kịp.
Để giải quyết vấn đề này, phương pháp kiểm soát luồng bằng phần cứng (Hardware Flow Control), hay còn gọi là RTS/CTS, được xem là giải pháp đáng tin cậy nhất. Cơ chế này sử dụng hai đường tín hiệu vật lý riêng biệt là RTS (Request To Send – Yêu cầu gửi) và CTS (Clear To Send – Sẵn sàng nhận). Khi một thiết bị muốn gửi, nó sẽ kích hoạt chân RTS. Thiết bị nhận, nếu bộ đệm đã sẵn sàng, sẽ đáp lại bằng cách kích hoạt chân CTS, cho phép quá trình truyền bắt đầu.
Nếu bộ đệm gần đầy, thiết bị nhận sẽ ngắt tín hiệu CTS, và thiết bị gửi sẽ tạm dừng cho đến khi nhận lại tín hiệu CTS. Ưu điểm lớn của phương pháp này là tín hiệu điều khiển được truyền “out-of-band”, tức là đi trên đường riêng và không can thiệp vào luồng dữ liệu chính, giúp phản ứng nhanh và có độ tin cậy rất cao. Tất nhiên, nó đòi hỏi cả hai thiết bị phải hỗ trợ và cáp kết nối phải có đủ dây cho các chân này.
Trong trường hợp không thể sử dụng kiểm soát luồng phần cứng, phương pháp phần mềm (Software Flow Control), hay XON/XOFF, là một lựa chọn thay thế. Phương pháp này không cần dây dẫn riêng mà sử dụng hai ký tự điều khiển đặc biệt XOFF (mã ASCII 19, để yêu cầu dừng truyền) và XON (mã ASCII 17, để yêu cầu tiếp tục) được gửi ngay trong luồng dữ liệu chính.
Lợi thế của nó là có thể hoạt động chỉ với cáp 3 dây tối giản (TXD, RXD, GND). Tuy nhiên, nhược điểm của nó cũng chính từ việc truyền tín hiệu “in-band”. Có nguy cơ các ký tự điều khiển này bị nhầm lẫn với dữ liệu nhị phân thực tế, gây ra lỗi. Hơn nữa, nó có độ trễ và kém tin cậy hơn so với phương pháp phần cứng, vì chính các ký tự XON/XOFF cũng có thể bị lỗi trong quá trình truyền.
7. Ứng dụng của Serial Port trong công nghiệp hiện đại
Mặc dù công nghệ kết nối đã tiến bộ vượt bậc với sự thống trị của USB và Ethernet trong thế giới tiêu dùng, cổng nối tiếp (serial port), đặc biệt là các chuẩn công nghiệp như RS-485 và RS-422, vẫn giữ vững vị thế không thể thay thế trong nhiều ứng dụng chuyên biệt. Sự bền bỉ, đáng tin cậy và chi phí hợp lý khiến nó trở thành lựa chọn ưu việt cho các nhiệm vụ đòi hỏi sự ổn định cao.
Lĩnh vực phổ biến nhất của serial port chính là tự động hóa công nghiệp. Đây là nơi các mạng truyền thông dựa trên RS-485 như Modbus RTU/ASCII trở thành tiêu chuẩn de facto. Rất nhiều dòng PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) sử dụng cổng nối tiếp để lập trình, cấu hình và giao tiếp với hàng loạt thiết bị ngoại vi như màn hình giao diện HMI, biến tần (VFD) để điều khiển động cơ, và các module I/O phân tán để thu thập tín hiệu từ cảm biến và điều khiển cơ cấu chấp hành.
Ngay cả trong các hệ thống SCADA hiện đại, mặc dù Ethernet đang dần chiếm ưu thế ở lớp mạng cấp cao, RS-485 vẫn là nền tảng vững chắc để kết nối các thiết bị hiện trường (RTU, PLC) về trung tâm điều khiển. Bên cạnh đó, tầm quan trọng của serial port còn lan rộng đến nhiều ngành kỹ thuật khác. Trong lĩnh vực đo lường và kiểm tra, nhiều thiết bị phòng thí nghiệm như máy hiện sóng, máy phát hàm, hay bộ nguồn lập trình được vẫn tích hợp cổng RS-232 để cho phép tự động hóa quá trình đo, thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa qua máy tính.
Tương tự, trong thế giới hệ thống nhúng, giao tiếp nối tiếp ở mức TTL (UART) là huyết mạch trên các bo mạch vi điều khiển như Arduino hay ESP32, phục vụ cho việc nạp chương trình, gỡ lỗi (debugging) và giao tiếp với vô số module cảm biến.
Một ứng dụng kinh điển khác là cổng Console trên các thiết bị mạng chuyên nghiệp như router và switch. Cổng này, thường sử dụng tín hiệu RS-232, là phương thức cứu cánh cho các kỹ sư mạng để cấu hình ban đầu hoặc khắc phục sự cố khi kết nối mạng chính gặp trục trặc, được biết đến như một kênh quản lý ngoài băng tần (out-of-band management).
Ngoài ra, dấu ấn của serial port vẫn còn hiện diện trong các hệ thống POS (Điểm bán hàng) để kết nối máy quét mã vạch và máy in hóa đơn; trong một số thiết bị y tế đòi hỏi kết nối truyền dữ liệu ổn định; và đặc biệt là trong các hệ thống quản lý tòa nhà (BMS), nơi chuẩn RS-485 thường đóng vai trò xương sống, liên kết các hệ thống điều hòa không khí, chiếu sáng và an ninh lại với nhau.
Sự hiện diện bền bỉ này chứng tỏ rằng, bất chấp tuổi đời, các đặc tính cốt lõi của giao tiếp nối tiếp như đơn giản, tin cậy, chi phí thấp, và đặc biệt là khả năng chống nhiễu vượt trội của RS-422/RS-485 trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt vẫn đảm bảo cho nó một vị trí vững chắc và không thể thay thế.
Bài viết này, Thanh Thiên Phú đã chia sẽ tất cả kiến thức về serial port hay còn gọi là cổng nối tiếp mà chúng tôi tổng hợp được. Mong rằng với những kiến thức chia sẽ ở trên sẽ giúp ích được cho bạn, Thanh Thiên Phú xin chân thành cảm ơn bạn đã đọc hết bài viết này!
