第6章 串并行通信和接口技术_计算机硬件及网络_it计算机_专业资料

1第 6章 串并行通信和接口技术教学建议，本章重点为8251A的功能结构；8251A的工作原理；8251A约定的初始化流程；8251A的编程方法；8255A的结构；8255A的两类控制字；8255A的工作方式；8255A的编程方法。2微型计算机与 I/O设备的接口按照数据传送格式的不同，可分为： 串行接口和并行接口 两种。 并行口的 “并行 ”含义 不是指接口与系统总线一侧的并行数据线而言，而是指接口与 I/O 设备或被控对象一侧的并行数据线。并行接口适用于近距离传送的场合。由于各种 I/O 设备和被控对象多为并行数据线连接， CPU 用并行口来组成应用系统很方便，故使用十分普遍，如打印机接口、 A/D、D/A 转换器接口、 IEEE-488 接口、开关量接口、控制设备接口等。另一种是串行接口，它是在一根线上以数据位为单位与 I/O设备或通信设备传送信息，如 CRT、键盘及调制解调器接口等。 3实现并行通信的接口就是并行接口，并行接口的特点是：l 1 并行接口最基本的特点是在 多根数据线 上以数据字节为单位与 I/O 设备或被控对象传送信息。 l 2 在并行接口中，除了少数场合之外，一般都要求在接口与外设之间设置并行数据线的同时，至少还要设置两根联络信号 ，以便互锁异步握手方式的通信。 l 3 在并行接口中， 每次以 8 位或 16 位 为单位进行同时传送。因此，当采用并行接口与外设交换数据时，即使是只用到其中的一位，也要一次输入 /输出 8 位或 16 位。 l 4 并行传送的信息， 不要求固定 的格式。 l 5 并行接口的优点是 传输速率高 ，但由于需要多根数据线，因此不适合远距离数据传输，一般用于 近距离传送 的场合。 并行4实现串行通信的接口就是串行接口，其特点如下：l 1 计算机和外设之间只使用 一根信号 线传输信息，数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。 l 2 串行通信在一根线上既要传送数据，还要传送联络信号，因此，串行通信有 一定的数据格式 的约定，分为异步和同步数据格式。 l 3 串行传输的 速率需要控制 ，通信双方要约定相同的波特率实现通信。由于受波特率上限的约束，串行通信 速度慢。 l 4 信号的逻辑定义与 TTL 电平不相同。 网络RS232 USB56.1 串行接口和串行通信一、串行通信涉及的常用术语l 全双工方式、半双工方式和单工方式l 同步方式和异步方式l 串行通信的传输率发送过程和接收过程的关系，数据传送的方向时钟对通信过程的定时方式61、全双工方式、半双工方式和单工方式单工： 广播双工： 电话半双工： 对讲机71、全双工方式、半双工方式和单工方式 单工（ Simplex)特点：只允许数据按照一个固定的方向传送。即一方能作为发送站，另一方只能作为接收站。 设备 A发送器设备 B接收器Data flow81、全双工方式、半双工方式和单工方式 半双工（ Half Duplex）l 特点：数据可以在两个方向上进行传送，但是这种传送绝不能同时进行。 【 双向，但不同时，可以轮流 】设备 A发送器 /接收器设备 B接收器 /发送器Data flow91、全双工方式、半双工方式和单工方式 全双工（ Full Duplex）l 特点：数据的发送和接收由两条不同的通信线传输，能够在两个方向同时进行数据传送。设备 A发送器 /接收器设备 B接收器 /发送器10一、串行通信涉及的常用术语l 2、串行通信的传输率所谓串行传输速率是指每秒钟传输 二进制的位数 ，串行传输速率也叫 波特率 ， 1 波特 =1bps，实际上它是传送每一位信息所用时间的倒数。如果一个串行字符由 1位起始位， 7 位数据位， 1 位奇偶校验位和 1位停止位等 10 位构成，每秒钟传送 120 个字符，则数据传送的波特率为： 10 位 /字符 120 字符 /秒 =1200 位 /秒 =1200 波特 传送每位信息所占用的时间为： Td=1 秒 /1200=0.833 毫秒 国际上还规定了一个 标准波特率系列 ，常用的波特率为 110、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600 和 19200 波特或更高。同步传送的波特率 高于异步 传送方式，可达到64000 波特以上。 比特率？11一、串行通信涉及的常用术语3、发送接收时钟二进制数序列在串行通信中是以数字信号的形式出现的。对这些连续的数字信号的定时发送和接收，都必须在 发送 /接收时钟的控制下 进行。发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿 将数据串行移位输出，在接收数据时，接收器在接收时钟的 上升沿 作用下对接收数据进行采样。 发送 /接收时钟频率与波特率的关系如下： 发送 /接收时钟频率 =n 发送 /接收波特率 ，其中 n 称为 波特率因子 ，一般n=1， 16， 32， 64。 例如，要求传输速率为 1200bps，则： 当 n=1，表明一位数字信号中只有一个时钟脉冲，故发送 /接收时钟频率为： 12001=1.2KHz 当 n=16，表明一位数字信号中有 16 个时钟脉冲，故发送 /接收时钟频率为： 120016=19.2KHz 当 n=64，表明一位数字信号中有 64 个时钟脉冲，故发送 /接收时钟频率为 ： 120064=76.8KHz 每一位对应的时间长度12一、串行通信涉及的常用术语4、异步方式异步通信以一个 字符为传输单位 ，用起始位表示字符的开始，用停止位表示字符结束。异步通信是指 字符与字符之间的传送是异步的 ，而字符内部位与位之间的传送是同步的。异步通信方式的 “异步 ”主要体现在字符与字符之间传送没有严格的定时要求，一旦字符传送开始，收 /发双方则以预先约定的传输速率，在时钟脉冲的作用下，传送该字符的每一位，即要求位与位之间有严格而精确的定时，也就是说，异步通信在传送 同一个字符的每一位时，是同步的。13起始位： 先发出一个逻辑 “0”信号，表示开始传输字符。 数据位 ：紧跟着起始位之后，数据位可为 58 位，先传送最低有效位。最后传送最高有效位。 奇偶校验位 ：数据位加上这一位后，使得 “1”的位数为偶数称为偶校验，反之为奇校验，通过编程 可以设定为奇校验、偶校验或无校验。 停止位 ：一个数据传输结束标志，可以是 1 位、 1.5 位、 2 位的高电平。 空闲位 ：处于逻辑 “1”状态，表示当前线路上没有数据传送。图 6.1 标准的异步通信数据格式先送最低位14一、串行通信涉及的常用术语4、同步方式同步通信是以 数据块（字符块）为单位 传送的，每个数据块经过格式化之后，形成 一帧 数据，作为一 个整体进行发送与接收，因此，传送一旦开始，要求每帧数据内部的每一位都要同步。也就是说，同步传送不仅 字符内部的位传送是同步的，字符与字符之间的传送也应该是同步的，这样才能保证收 /发双方对每一位是同步的。为此，收 /发两端必须使用 相同频率的时钟 来控制数据块传送时字符与字符、字符内部位与位之间的定时。156.1 串行接口和串行通信二、 串行接口l串行接口部件 4个主要寄存器l控制寄存器l状态寄存器l数据输入寄存器l数据输出寄存器l两个端口地址配合读写信号实现对四个寄存器的访问16l可编程串行接口的典型结构 176.2 可编程串行通信接口 8251A一、 8251A基本性能 两种传送方式 ：同步和异步传送。 同步传送 ： 58 位 /字符，内部或外部同步可自动插人同步字符。 异步传送 ： 58 位 /字符，时钟速率为通信波特率的 1、 16 或 64 倍。 可自动产生、检测和处理终止字符 ，可产生 1、 1.5 或 2 位的停止位。 波特率 在同步方式时为 0 64Kbps，异步方式时为 019.2Kbps。 全双工、双缓冲器发送器和接收器 。 出错检测 ：具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。 18二、 8251A 的内部结构 它由数据总线缓冲器、接收缓冲器、接收控制电路、发送缓冲器、 发送控制电路、读 /写控制逻辑和调制解调器控制等电路组成。内部总线提供各部件信息传输的通道。 19二、 8251A 的内部结构 数据总线缓冲器 数据总线缓冲器是 8251A 与系统数据总线的接口，内部包含 3 个三态、双向 8 位缓冲器，它们分别是： 状态字寄存器、发送数据 /命令寄存器、接收数据缓冲器。在CPU 执行输入输出指令期间，由数据总线缓 冲器发送和接收数据。此外，控制信息、状态信息和命令字也通过数据总线缓冲器传送。 读 /写控制电路 读 /写控制电路接受 CPU 的各种控制信号，从而确定本次操作的方式，并对调制解调电路输出控制信息。 2021 调制 /解调控制电路 8251A 内部的调制 /解调控制电路提供了一组控制信号，使 8251A 可直接与调制解调器相连接，从而完成计算机远程通信任务。 发送器 发送器由发送缓冲器和控制电路两部分组成。 当 CPU 要向外部发送数据时，先用 OUT 指令把要发送的并行数据送入 8251A 的发送缓冲器中锁存，再由发送缓冲器中的移位寄存器将并行数据格式转换成串行的数据流后，从 TxD 引脚串行发送出去。 采用异步方式时，发送控制电路自动加上起始位 ,并按照程序指定的校验要求加上一个校验位，最后加上程序规定的停止位 (1、 1.5 位或 2 位 )，然后从起始位开始，经移位寄存器从数据输出线的 TxD 逐位地串行输出。 对于同步方式，发送器在发送数据字符之前，先送出一个或两个同步字符，然后逐位地串行输出数据，在同步发送时，字符之间不允许存在空隙。若由于某种原因 (如出现更高优先级的中断 )迫使CPU 在发送过程中停止发送字符， 8251A 将不断自动地插入同步字符，直到 CPU 送来新的字符后，继续逐位地串行输出数据。 22 接收器 接收器由接收缓冲器和控制电路两部分组成。 接收器从 RxD 引脚上接收串行数据，并把它转换为并行数据后存入接收缓冲器中。 当 8251A 工作在异步方式时，允许接收，且已经准备好接收数据时，接收器检测 RxD 引脚上的电平。 在无字符传送时， RxD 引脚为高电平。当检测到 RxD 为低电平时，且确认为它是起始位后， 8251A 开始进行采样，完成字符的装配，并进行奇偶校验和去掉停止位，使串行数据变成了并行数据后送入接收缓冲寄存器中，同时发出 RxRDY 信号送 CPU，指示接收器已收到一个数据字符。 在同步方式下，首先搜索同步字符。 8251A 监测 RxD 引脚，每当 RxD 引脚上出现一个数据位时，接收器将它接收下来并移入移位寄存器，与同步字符寄存器的内容进行比较。如果两者不相等，则接收下一位数据，并且重复上述过程。当两个寄存器的内容比较相等时，使 8251A 的 SYNDET 引脚变为高电平，表示同步字符已经找到，同步已经实现，于是接收器开始接收数据。 23l8251A的异步方式 24l8251A的同步方式 25三、 8251A的对外信号26l1、 8251A和 CPU之间的连接信号l片选信号l数据信号l读 /写控制信号l收发联络信号图 6.6 8251A与 CPU及外设的连接关系 27CS （ Chip Selected ），片选信号。它由 CPU 的地址信号通过译码得到。D0 D 7 （ DATA），三态、 8 位双向数据线，与系统总线相连，用于传输 CPU 对 8251A 的编程命令字和 CPU 发往 8251A 的待发送数据，以及 8251A 送往 CPU 的状态信息及接收到的数据。RD （ Read ），读信号，低电平有效。当此信号有效时， CPU 从 8251A 读取数据或者状态信息。 WR （ Write ），写信号，低电平有效。当此信号有效时， CPU 往 8251A 写入数据或者控制信息。 C / D （ Control/Data），控制 /数据信号，用来区分当前读 /写的是数据信息还是控制或者状态信息。高电平用于访问控制口与状态口，低电平用于访问数据口。TxRDY （ Transmit Data），发送器准备好信号，用来通知 CPU， 8251A 已准备好发送一个字符。 TxE （ Transmit Empty），发送缓冲器标志。当发送缓冲器没有装入新的发送字符时，该标志就变高，当 CPU 送入 1 个数据字符时，该标志就被复位。 RxRDY （ Receptor Ready），接收器准备好信号，用来表示当前 8251A 已经从外部设备或调制解调器 接收到一个字符，等待 CPU 取走。在 中断方式 时， RxRDY 可以作为中断请求信号，在查询方式时， RxRDY 可用作 查询 信号。 SYNDET/BD （ Synchronous Detection） /BD(Break Detection)，双引脚功能线。同步检测信号，只用于同步方式。28lC/D、 RD、 WR的编码和对应的操作292、 8251A与外设之间的连接信号 （ 1）收发联络信号 DTR （ Data Terminal Ready），数据终端准备好信号，输出，低电平有效，用于通知外部设备， CPU准备就绪。 DSR （ Data Set Ready），数据装置准备好，输入，低电平有效，表示外设或调制解调器已准备好。 RTS （ Request To Send），请求发送信号，输出，低电平有效，表示 CPU 已经准备好发送。 CTS （ Clear To Send），清除请求发送信号，输入，低电平有效，这是调制解调器对 8251A 的 RTS 信号的响应，它是由外设发送