微型计算机技术第六章讲述

6.2 串行接口和串行通信 教学重点 串行接口与通信概述 8251的内部结构和编程 通信规程和通信标准 6.2.1 串行接口与通信概述 数据通信的基本方式可分为并行通信与串行通信两种： n并行通信：是指利用多条数据传输线将一个数据的各 位同时传送。 特点：是传输速度快，适用于短距离通信。 n串行通信：是指利用一条传输线将数据一位位地顺序 传送。 特点：是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实 现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度 慢。 一、并行通信和串行通信 二、 串行通信基础 串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号线 ，一位一位顺序传送的方式 串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在远 距离通信时可以极大地降低成本 串行通信适合于远距离数据传送，也常用于速度 要求不高的近距离数据传送 PC系列机上有两个串行异步通信接口、键盘、 鼠标器与主机间采用串行数据传送 1. 异步通信 串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一 根信号线传送 收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程） ，才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符 同步、数据校验等问题 串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协 议是起止式异步通信协议 起止式异步通信协议 起始位每个字符开始传送的标志，起始 位采用逻辑0电平 起始位校验位停止位空闲位数据位 低位 高位 字符 0/1 0/10/10/110111 数据位数据位紧跟着起始位传送。 由58个二进制位组成，低位先传送 校验位用于校验是否传送正确；可 选择奇检验、偶校验或不传送校验位 停止位表示该字符传送结束。停止 位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位 空闲位传送字符之间的逻辑1电平， 表示没有进行传送 数据传输速率 数据传输速率也称比特率（Bit Rate） 每秒传输的二进制位数bps 字符中每个二进制位持续的时间长度都一样，为数据传输速率的 倒数 当进行二进制数码传输，且每位时间长度相等时，比特 率还等于波特率（Baud Rate） 过去，串行异步通信的数据传输速率限制在50 bps到9600 bps之间。现在，可以达到115200 bps或更高 2. 同步通信 以一个数据块（帧）为传输单位，每个数据块附加1个 或2个同步字符，最后以校验字符结束 同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路 比较复杂 串行同步通信主要应用在网络当中 最常使用高级数据链路控制协议HDLC 同步字符数据数据数据校验字符 3. 数据传送方式 全双工 站A站B 站A站B 站A站B 半双工 单工 (1) 单工方式 只允许数据按照一个固定的方向传送，即一方只能作为 发送站，另一方只能作为接收站。 (2) 半双工方式 数据能从A站传送到B站，也能从B站传送到A站，但是 不能同时在两个方向上传送，每次只能有一个站发送，另 一个站接收。通信双方可以轮流地进行发送和接收。 (3) 全双工方式 允许通信双方同时进行发送和接收。这时，A站在发送的 同时也可以接收，B站亦同。全双工方式相当于把两个方 向相反的单工方式组合在一起，因此它需要两条传输线。 （在计算机串行通讯中主要使用半双工和全双工方式） 3. 数据传送方式（续） 4. 信号传输方式 1基带传输方式 基带传输方式仅适宜于近距离和速度较低的通信。 在传输线路上直接传输不加调制的二进制信号，如图所示 。它要求传送线的频带较宽，传输的数字信号是矩形波。 4. 信号传输方式（续） 2频带传输方式 传输经过调制的模拟信号 q在长距离通信时，发送方要用调制器把数字信号转换 成模拟信号，接收方则用解调器将接收到的模拟信号 再转换成数字信号，这就是信号的调制解调。 q实现调制和解调任务的装置称为调制解调器 (MODEM)。采用频带传输时，通信双方各接一个调制 解调器，将数字信号寄载在模拟信号(载波)上加以传输 。因此，这种传输方式也称为载波传输方式。这时的 通信线路可以是电话交换网，也可以是专用线。 常用的调制方式有三种： 调幅、调频和调相，分别如下图所示。 4. 信号传输方式（续） 5. 调制解调器 调制（Modulating） 把数字信号转换为电话线路传送的模拟信号 解调（Demodulating） 将电话线路的模拟信号转换为数字信号 调制解调器MODEM 具有调制和解调功能的器件合制在一个装置 6.2.1 串行接口的标准 串行接口标准：指的是计算机或终端(数据 终端设备DTE)的串行接口电路与调制解调 器MODEM等(数据通信设备DCE)之间的连接 标准。 一、串行接口标准RS-232C 美国电子工业协会EIA制定的通用标准串行接口 1962年公布，1969年修订 1987年1月正式改名为EIA-232D 设计目的是用于连接调制解调器 现已成为数据终端设备DTE（例如计算机）与数据通信 设备DCE（例如调制解调器）的标准接口 可实现远距离通信，也可近距离连接两台微机 属于网络层次结构中的最低层：物理层 一、RS-232C标准（续） RS-232C是一种标准接口，D型插座，采用25芯 引脚或9芯引脚的连接器，如图所示。 连接及通信原理 微型计算机之间的串行通信就是按照RS-232C标准设计的 接口电路实现的。如果使用一根电话线进行通信，那么计 算机和MODEM之间的连线就是根据RS-232C标准连接的 。其连接及通信原理如图所示。 1. RS-232C的引脚定义 232C接口标准使用一个25针连接器 绝大多数设备只使用其中9个信号，所以就有了9 针连接器 232C包括两个信道：主信道和次信道 次信道为辅助串行通道提供数据控制和通道，但 其传输速率比主信道要低得多，其他跟主信道相 同，通常较少使用 RS-232C的引脚（1） TxD：发送数据 串行数据的发送端 RxD：接收数据 串行数据的接收端 RS-232C的引脚（2） RTS：请求发送 当数据终端设备准备好送出数据时，就发出有效的RTS信号，用 于通知数据通信设备准备接收数据 CTS：清除发送（允许发送） 当数据通信设备已准备好接收数据终端设备的传送数据时，发出 CTS有效信号来响应RTS信号 RTS和CTS是数据终端设备与数据通信设备间一对用于数 据发送的联络信号 RS-232C的引脚（3） DTR：数据终端准备好 通常当数据终端设备一加电，该信号就有效，表明数据终端设备 准备就绪 DSR：数据装置准备好 通常表示数据通信设备（即数据装置）已接通电源连到通信线路 上，并处在数据传输方式 DTR和DSR也可用做数据终端设备与数据通信设备间的 联络信号，例如应答数据接收 RS-232C的引脚（4） GND：信号地 为所有的信号提供一个公共的参考电平 CD：载波检测（DCD） 当本地调制解调器接收到来自对方的载波信号时，该 引脚向数据终端设备提供有效信号 RI：振铃指示 当调制解调器接收到对方的拨号信号期间，该引脚信 号作为电话铃响的指示、保持有效 RS-232C的引脚（5） 保护地（机壳地） 起屏蔽保护作用的接地端，一般应参照设备的使用规 定，连接到设备的外壳或大地 TxC：发送器时钟 控制数据终端发送串行数据的时钟信号 RxC：接收器时钟 控制数据终端接收串行数据的时钟信号 2. RS-232C的连接 微机利用232C接口连接调制解调器，用于实现通 过电话线路的远距离通信 微机利用232C接口直接连接进行短距离通信。这 种连接不使用调制解调器，所以被称为零调制解 调器（Null Modem）连接 连接调制解调器 电话线 MODEM微机 2 3 4 5 6 7 8 20 22 2 3 4 5 6 7 8 20 22 MODEM 2 3 4 5 6 7 8 20 22 数据装置准备好DSR 数据终端准备好DTR 发送数据TxD 接收数据RxD 请求发送RTS 允许发送CTS 信号地GND 载波检测CD 振铃指示RI 微机 2 3 4 5 6 7 8 20 22 不使用联络信号的3线相连方式 微机 TxD RxD GND 微机 为了交换信息，TxD和RxD应当交叉连接 程序中不必使RTS和DTR有效 也不应检测CTS和DSR是否有效 “伪”使用联络信号的3线相连方式 RTS和CTS各自互接，DTR和DSR各自互接 表明请求传送总是允许、数据装置总准备好 微机 DSR DTR TxD RxD RTS CTS GND 微机 使用联络信号的多线相连方式 通信比较可靠 所用连线较多，不如前者经济 微机 DSR DTR TxD RxD RTS CTS GND 微机 3. RS-232C的电气特性 232C接口采用EIA电平 高电平为3V15V 低电平为3V15V 实际常用±12V或±15V n标准TTL电平 n高电平：2.4V5V n低电平：0V0.4V 相互转换 6.3 可编程串行通信接口8251A 串行传输，需要并行到串行和串行到并行的转换 ，并按照传输协议发送和接收每个字符（或数据 块） 这些工作可由软件实现，也可用硬件实现 通用异步接收发送器UART是串行异步通信的接 口电路芯片 IBM PC/XT机的UART芯片是INS 8251 后来使用NS16550 6.3.1 8251A的基本性能 8251A是可编程的串行通信接口芯片，基本性能： 1两种工作方式： 同步方式，异步方式。 同步方式下，波特率为064Kbps，异步方式下，波特率 为019.2Kbps。 2同步方式下的格式 每个字符可以用5、6、7或8位来表示，并且内部能自动检测 同步字符，从而实现同步。除此之外，8251A也允许同步 方式下增加奇/偶校验位进行校验。 6.3.1 8251A的基本性能(续） 3异步方式下的格式 每个字符也可以用5、6、7或8位来表示，时钟频率为传 输波特率的1、16或64倍，用1位作为奇/偶校验。1个启动 位。并能根据编程为每个数据增加1个、1.5个或2个停止 位。可以检查假启动位，自动检测和处理终止字符。 4全双工的工作方式 其内部提供具有双缓冲器的发送器和接收器。 5提供出错检测 具有奇偶、溢出和帧错误三种校验电路。 6.3.2 8251A的基本工作原理 8251实现了起止式串行异步通信协议，支持全双 工通信 通信字符可选择数据位为58位 停止位1、1.5或2位 可进行奇偶校验 具有奇偶、帧和溢出错误检测电路 1. 8251A的编程结构 8251A有： 1个数据输入缓冲寄存器 1个数据输出缓冲寄存器 1个发送移位寄存器 1个接收移位寄存器 1个控制寄存器 1个状态寄存器 1个模式寄存器 2个同步字符寄存器。 图6.5 8251A的编程结构和外部连接 C/D C/S TxC RxC SYNDET CTS DTR DSR TxD TxE RxD GND Vcc+5v 模式寄存器 同步字符寄存器 同步字符寄存器 控制寄存器 接收移位寄存器 串行输入 时钟 RTS 数据输入缓冲器 数据输出缓冲器 发送移位寄存器 串行输出 CLK D0D7 8286 （可选） OE T WR RD TxRDY RxRDY RESET 控 制 总 线 地 址 总 线 数 据 总 线 译码 A0 IO/M 延迟 各部件的功能说明 数据输入缓冲寄存器和数据输出缓冲寄存器使用同一个端口 地址； 接收移位寄存器将到达RxD端的串行数据接收后进行移位， 变为8位并行数据，传送到数据输入缓冲寄存器； 发送移位寄存器将数据输出缓冲寄存器的并行数据变为串行 数据，然后，从TxD端