微机原理与接口技术PPT课件(共16章)15异步通信

内容1.通用异步通信接口芯片INS8250设计2.异步串行口的硬件逻辑3.INS8250内部寄存器定义4.微机查询式编程举例5.USB闪盘的结构和特点及相关器件6.单片机及主机软件的设计7.IEEE1394接口技术的研究相关软件安装使用1.通用异步通信接口芯片INS8250为实现异步串行通信，并按RS-232C标准定义的信号进行信息控制和数据传送，许多制造商专门设计了一种大规模集成电路，称为通用异步接收器和发送器（UART），其产品已标准化比较常用的有NationalSemicoductorInc.生产的INS8250、NS16450，ZilogInc.生产的Z-80DART、Z-80SIO、Z-8030、Z-8031、Z-8351以及MotoralaInc.生产的ACIA芯片。此外，Intel8251还支持同步串行通信功能（如上节所述）。由于在自动化和测控等领域经常使用微机作为上位机构成各种类型的监控系统，下位机多采用嵌入式仪器仪表，通过各种通信方式与上位机交换信息，故有必要详细了解微机的串行通信接口及其应用编程，下面，以PC系列采用的INS8250(PC、XT使用)和NS16450(AT使用)为例，说明UART在异步串行接口中所起的逻辑功能。2.异步串行口的硬件逻辑.以UART为核心的异步串行口的硬件逻辑如图15.25所示。INS8250与NS16450是兼容的UART。通过内部寄存器编程可建立异步串行通信协议（波特率、数据传输格式）以及UART操作方式（查询I/O或中断I/O）。此后，在任何时刻，它均可接收来自CPU的8位数据，以初始化选定的发送波特率由SOUT端向通信线上串行发送位序列；或者，在任何时刻由SIN端从通信线上按接收波特率串行接收位序列，每收妥一个8位数据，可由CPU读出。图15.25 异步串行口的硬件逻辑由图15.25可知，整个异步串行口硬件逻辑包括以下4部分。1.数据I/P缓冲8根三态双向数据线（D7D0）实现UART与CPU之间的双向通信，包括数据、控制和状态信息的传输。2.时钟与速率芯片时钟可由外界通过XTAL1直接引入，或者在XTAL1XTAL2之间通过连接一个晶体后构成晶体振荡而产生。PC系列选用1.8432MHZ时钟直接输入方式。UART发送的波特率与接收的波特率可取不同值。发送波特率由用户初始化UART时设置（输入一个波特率因子值），并通过端输出。注意，该信号频率是用户期望的发送波特率的16倍（即取样脉冲，供接收方使用）。接收波特率时钟由外界通过RCLK端输入。PC系列采取的方法是使端与RCLK端短接，即串行数据的发送和接收在相同的波特率下工作。3.读/写控制逻辑该部分实际上是UART与CPU的接口。它具有以下功能。（1）复位芯片输入端MR为高电位清除内部寄存器和控制逻辑。芯片操作期间，该端为低。（2）芯片允许包括芯片选中（为低，、为高）及地址选通（为低）。（3）寄存器选择由输入地址最低3位（A2、A1、A0）选择内部寄存器。（4）读出数据有效在芯片选中期间，若DISTR为高或者为低，CPU读出数据有效。（5）写入数据有效在芯片选中期间，若DOSTR为高或者为低，CPU写入数据有效。（6）禁止数据传输当收发器禁止端口DDIS为高，封锁CPU对芯片的写操作；或芯片未选中，芯片选择输出端CSOUT为低，禁止数据传输。PC系列均未用。（7）中断请求当允许芯片中断，且任一种中断类型条件满足时，INTRPT变为高电平。4.MODEM控制逻辑该部分实际上是UART与RS-232C之间的接口。为了确保RS-232C的EIA电平，UART与RS-232C间有一套逻辑电平转换电路实现TTL与ELA电平的转换。同时，考虑到转换电路的反相作用，UART的控制信号均使用反相端：信号名称顶部加一横线。然而，UART的数据信号SOUT与SIN不使用反相端，因为计算机与通信线上各自定义的“1”、“0”逻辑电平本来就是相反的。MODEM控制逻辑包括如下信号：串行输出（SOUT）相当发送数据TxD串行输入（SIN）相当接收数据RxD数据设备就绪（）输入为低有效数据终端就绪（）输出为低有效请求发送（）输出为低有效清除发送（）输入为低有效载波信号检测（）输入为低有效振铃指示（）输入为低有效另外，该逻辑允许对MODEM控制寄存器编程，输出两个控制信号和，称为用户辅助输出。PC系列通常初始化芯片，使为1或0，作为禁止或允许UART输出中断请求IRQ的控制（图15.25中左下角所示）INS8250内部寄存器定义UART是可编程的异步串行通信芯片。用户对其编程实际上是对UART内部寄存器的读出或写入操作。因而，从编程角度出发，可将一个UART描述成一组寄存器的集合：发送器部分、接收器部分和控制器部分，如下图所示。微机查询式编程举例例例15.2我们编写一个针对微机第1串口COM2的异步通信程序，采用查询方式。初始化编程后，程序循环读取8250的通信状态寄存器，数据传输错误就显示一个问号“？”；接收到数据就显示出来；发送数据就从键盘输入发送字符；当然，用户没有输入字符就不发送，循环读取8250状态。如果按下ESC键（其ASCII代码为1BH）返回DOS。本程序不使用联络控制信号，通信时不关心调制解调器状态寄存器的内容，而只要查询通信线路状态寄存器即可。基于RS-232串行接口的硬件设计及软件编程例例15.5 两台计算机之间直接用串口通信连接图如图15.33所示。编程可直接用INT14H中断调用来实现(请见附录B)，发送方、接收方分别初始化为相同的参数，然后用查询法实现通信处理，一方发送一方接收。具体程序请参考附录B自行编写，并且可作为一个上机实验题进行验证。计算机串口计算机串口2 TxD2 TxD3 RxD3 RxD7 Gnd7 Gnd图15.33 两台计算机近程串行数据通信的连接图图15.34串行通信硬件连接USB闪盘的软硬件开发技术一种在USB接口下的闪盘(闪存编程器)的软硬件开发技术，对USB和闪存做了简单介绍。闪存在计算机、智能仪器、通信设备等中使用非常广泛，用于存放相对固定及便于升级的内容。闪盘因其存储容量大、体积小便于携带等优点，很快会替代软驱软盘成为主要的移动存储器。USB作为一种新型的接口技术，以其简单易用、速度快、兼容性强等特点而倍受青睐。闪盘的内部结构和特点1闪盘硬件电路构成闪盘硬件电路构成该闪盘(闪存编程器)主要由89C51芯片、并口8255、USB接口芯片、用于插入闪存芯片的40脚芯片插座等构成，如图1所示。该编程器主要处理与计算机通信，完成具体的读写操作、地址选择、芯片识别等功能。89C51内部集成了4KB的FLASHROM和128B的RAM、6个中断源、三层编程锁、引脚和软件方面与80C51兼容，所以使用89C51比使用80C51电路简单。8255主要传递地址信息，其双向三态总线D0-D7与89C51的P0口相连，PA口、PB口、PC口均工作在方式0输出，与FlashMemory的地址线相连。由于FlashMemory的容量可能为512K*8(4Mb,29040)、地址线为19根，89C51通过P0口分段向8255各口写入地址信息后由PA口、PB口、PC口共同输出确定的地址选择。单片机与PC机的通信实现由一块USB接口芯片作为桥梁。由于USB通信协议复杂烦琐、不易弄懂，于是各大公司相继推出了USB接口芯片，如：朗讯的USS820/825，松下的USBN9602、USBN9603、USBN9604，NetChip的NET2888，菲利普的PDIUSBD11、PDIUSBD12等。这些芯片SIE（串行接口引擎）实现了USB协议层的完整功能，包括：同步方式识别、并/串转换、比特填充/解填充、CRC校验/生成、PID确认/生成、地址识别和握手信号的鉴定/生成等。本文选择了PDIUSBD12作为接口芯片，它完成了微控制器的信号到符合USB规范信号的转换。对于微控制器而言，PDIUSBD12仅仅是一个具有8位数据总线和一个地址的存储设备。这样一来，即利用了89C51中丰富的软件资源，又利用了USB总线技术的即插即用、热插拔等特性。FlashMemory的数据I/O线与89C51的P1口相连。单片机通过该口实现对FlashMemory中内容的读、写、擦除等功能。单片机的P2口中的各线主要完成各芯片的片选、8255的A0和A1等信号。PDIUSBD12芯片特点和内部结构芯片特点和内部结构PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件，通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并口进行通信，也支持本地DMA传输。还集成了SoftConnect、Goodlink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。这些特性在系统实现时节省了成本，在外围设备上很容易实现更高级的USB功能。它主要有如下特性：符合USB1.1协议规范；集成了SIE、320B的多配置FIFO存储器、收发器和电压调整器；与任何微控制器/处理器有高速（2MB/S）并行接口；表15.10PDIUSBD12引脚说明完全自动DMA操作，端点有双缓存配置，增加吞吐量，容易实现实时数据传输；在USB传输时有闪亮的USB连接指示灯GoodLink；在挂起时有可控制的LazyClock输出，时钟频率输出可编程；PDIUSBD12引脚说明表15.10 PDIUSBD12引脚说明闪盘的硬件连接图这四根引脚与计算机的USB接口相连单片机方面的软件设计89C51的软件设计主要是对USB的控制，其程序由三部分组成：第一、初始化单片机和所有外围电路；第二、主循环部分，其任务可以是中断的；第三、中断服务程序；根据USB协议，单片机应在前台工作等待中断，PC机首先向PDIUSBD12发令牌包，PDIUSBD12接收到后给89C51发中断，89C51判断令牌包类型进入相应中断服务程序。相应程序流程图如图15.48、图15.49、图15.50所示。89C51与PDIUSBD12的通信是靠89C51给PDIUSBD12发命令和数据来实现。单片机主程序D12芯片初始化开 始擦除子程序写子程序读子程序D12片选信号有效查询D12芯片是否有命令操作是读闪存子程序流和写闪存子程序流程是发送写完毕信号8255PA口、PB口、PC口置0作为地址输出到闪存接受所写芯片的最大地址值向主机发送响应信号8255初始化写子程序开始将内容写入闪存8255输出口内容+1接受主机需写内容退出子程序8255输出口内容=最大地址值？是发送读完毕信号8255PA口、PB口、PC口置0作为地址输出到闪存接受所读芯片的最大地址值向主机发送响应信号8255初始化读子程序开始读闪存内容8255输出口内容+1向主机传送所读内容退出子程序8255输出口内容=最大地址值？主机方面的软件设计图15.51编程器对应的计算机方面程序界面Windows98提供了多种USB设备的驱动程序，在主机方面主要还是编程器的操作界面，可以用VB、VC+等编程。当计算机运行编程器操作程序时提示用户主机是否检测到USB编程器的连接。其界面上主要的栏目有读、写、擦除、校验、识别ROM芯片，文件打开、存盘，显示、编辑读出或待写入内容等，可输入起始和终止地址。如图15.51所示。图15.51编程器对应的计算机方面程序界面IEEE1394接口技术IEEEl394经IEEE协会于1995年12月正式接纳成为一个工业标准，全称为IEEEl394高性能串行总线标准(IEEEl394HighPerformanceSerialBUSStandard)。在1997年和1998年，由Microsoft、Intel和Compaq几家公司共同制定的PC97和PC98系统设计指南中，规定把USB、IEEEl394作为外设的新接口标准加以推行。1、IEEEl394总线有如下特征遵从IEEEl212控制和状态寄存器结构标准(ControlandStatusRegisterArchitectureSpecification)。总线传输类型包括块读写和单个4字节读写。传输方式有同步(等时