东南大学电子信息工程之微机学第5章-4(3学时)串行通信接口.ppt

1,第5章-4 串行通信接口,教学重点: 串行通信接口基本概念 RS-232-C标准 8250的内部结构和编程 异步通信适配器及编程,2,目录,5.1 串行通信基础 5.2 串行接口标准RS-232C 5.3 通用异步接收发送器8250 5.4 异步通信适配器及编程,3,5.1 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。,4,1. 异步通信,收发双方时钟不统一； 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。,5,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,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,6,数据传输速率,比特率 数字信号的传输速率，为单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数，单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示。 波特率 数据信号对载波的调制速率，为单位时间内载波调制状态改变次数，单位为波特(Baud)。 波特率与比特率的关系：比特率=波特率单个调制状态对应的二进制位数。,7,数据传输速率,两相调制（单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应2个二进制位）的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍；依次类推； 常用的波特率：50，70，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，115200。,8,2. 同步通信,双方对每一位的收发时序完全一致，统一时钟； 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； 同步串行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。,9,单工通信只能由一方发送，例：广播 半双工通信某一时刻只能由一方发送，例：对讲机 全双工通信双方可同时传输，例：电话,3. 传输模式,10,3. 传输模式,发送器,接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A站,B站,11,电话网络模拟信号，计算机数字信号； 远距离通信时需要通过普通电话网络传输； 数字信号：频带宽 电话网络：频带窄 要使数字信号在电话网络上传输，需要进行信号变换把数字信号承载到模拟信号上传输，这个模拟信号称为载波信号。 调制把数字信号承载到载波信号上； 解调从载波信号中恢复出数字信号； 调制解调器：实现调制与解调的设备。,4. 调制与解调,12,目录,5.1 串行通信基础 5.2 串行接口标准RS-232C 5.3 通用异步接收发送器8250 5.4 异步通信适配器及编程,13,5.2 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； 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。,14,5.2.1 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；,15,主要引脚的功能,16,RS-232C的引脚（1）,TxD（输出）：发送数据 串行数据的发送端 RxD（输入）：接收数据 串行数据的接收端,17,RS-232C的引脚（2）,RTS（输出）：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（输入）：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。,18,RS-232C的引脚（3）,DTR（输出）：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（输入）：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,19,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（输入）：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（输入）：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。,20,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,21,5.2.2 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,22,连接调制解调器,23,不使用联络信号的3线相连方式,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,24,“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,25,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,26,Review（1）,起始位每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平,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,起止式异步通信协议,27,Review（2）,3、使用联络信号的多线相连方式,1、不使用联络信号的3线相连方式,2、“伪”使用联络信号的3线相连方式,28,5.2.3 RS-232C的电气特性,232C接口采用EIA电平 高电平为-5V-25V 低电平为+5V+25V 实际常用12V,标准TTL电平 高电平：2.4V5V 低电平：0V0.4V,相互转换,29,TTL与RS-232-C之间的电平转换,UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter,30,目录,5.1 串行通信基础 5.2 串行接口标准RS-232C 5.3 通用异步接收发送器8250 5.4 异步通信适配器及编程,31,5.3 通用异步接收发送器8250,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 8250。,32,5.3.1 8250的内部结构,8250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 8250支持的数据传输速率为509600bps,33,数据总线缓冲,CS0,CS1,CS2,A2,A1,A0,/ADS,DISTR,/DISTR,DOSTR,/DOSTR,DDIS,MR,D0D7,内部数据总线,发送保持寄存器,接收缓冲寄存器,发送移位寄存器,接收移位寄存器,Sout,Sin,线路控制寄存器,线路状态寄存器,MODEM控制寄存器,MODEM状态寄存器,RCLK,XTAL1,XTAL2,/BAUDOUT,控制逻辑,/RTS,/CTS,/DTR,/DSR,/RLSD,/RI,中断允许寄存器,中断识别寄存器,控制逻辑,/OUT1,/OUT2,INTRPT,中断,MODEM,1M10M,握手线,UART,数据总线缓冲,5.3.1 8250的内部结构,34,1. 串行数据的发送,双缓冲寄存器结构 保证数据的连续发送,35,2. 串行数据的接收,双缓冲寄存器结构 保证数据的连续接收,36,3. 接收错误的处理,奇偶错误PE（Parity Error） 若接收到的字符的“1”的个数不符合奇偶校验要求 帧错误FE（Frame Error） 若接收到的字符格式不符合规定（如缺少停止位） 溢出错误OE（Overrun Error） 若接收移位寄存器接收到一个数据，并送至输入缓冲器时，CPU还未取走前一个数据，就会出现数据溢出 若接收缓冲器的级数多，则溢出错误的几率就少,37,5.3.2 8250的引脚,分成连接CPU的部分和连接外设的部分； 注意：8250不是Intel公司的产品，所以该芯片引脚名称与前面学习的8253、8255等Intel产品有所不同，但是引脚功能却是类似。,38,1. 处理器接口引脚（1）,数据线D0D7：在CPU与8250之间交换信息； 地址线A0A2：寻址8250内部寄存器； 片选线：8250设计了3个片选输入信号CS0、CS1、CS2*和一个片选输出信号CSOUT。3个片选输入都有效时，才选中8250芯片，同时CSOUT输出高电平有效； 地址选通信号ADS*：当该信号低有效时，锁存上述地址线和片选线的输入状态，保证读写期间的地址稳定。,39,1. 处理器接口引脚（2）,读控制线 数据输入选通DISTR（高有效）和DISTR*（低有效）有一个信号有效，CPU从8250内部寄存器读出数据； 相当于I/O读信号； 写控制线 数据输出选通DOSTR（高有效）和DOSTR*（低有效）有一个有效，CPU就将数据写入8250内部寄存器 相当于I/O写信号； 8250读写控制信号有两对，每对信号作用完全相同，只不过有效电平不同而己。,40,1. 处理器接口引脚（3）,驱动器禁止信号DDIS：CPU从8250读取数据时，DDIS引脚输出低电平，用来禁止外部收发器对系统总线的驱动；其他时间，DDIS为高电平； 主复位线MR：硬件复位信号RESET； 中断请求线INTRPT：8250有4级共10个中断源，当任一个未被屏蔽的中断源有请求时，INTRPT输出高电平向CPU请求中断。,41,2. 时钟信号,时钟输入引脚XTAL1：8250的基准工作时钟 时钟输出引脚XTAL2：基准时钟信号的输出端 波特率输出引脚BAUDOUT*：基准时钟经8250内部波特率发生器分频后产生发送时钟 接收时钟引脚RCLK：接收外部提供的接收时钟信号；若采用发送时钟作为接收时钟，则只要将RCLK引脚和BAUDOUT*引脚直接相连,42,3.异步串行接口引脚,43,4. 输出线,OUT1*和OUT2*： 两个一般用途的输出信号； 由调制解调器控制寄存器的D2和D3使其输出低电平有效信号； 复位使其恢复为高。,44,5.3.3 8250的寄存器,8250内部有9种可访问的寄存器，除数寄存器是16位的，占用两个连续的8位端口； 内部寄存器用引脚A0A2来寻址；,45,INS8250内部寄存器地址,A2 A1 A0 DLAB COM1 寄存器 000 0 3F8 写发送寄存器/读接收寄存器 000 1 3F8 除数寄存器低字节 001 1 3F9 除数寄存器高字节 001 0 3F9 中断允许 010 x 3FA 中断识别 011 x 3FB 线路控制 100 x 3FC MODEM控制 101 x 3FD 线路状态 110 x 3FE MODEM 状态 111 x 3FF 不用,46,1. 接收缓冲寄存器RBR,存放串行接收后转换成并行的数据,47,2. 发送保持寄存器THR,包含将要串行发送的并行数据,48,3. 除数寄存器,除数寄存器保存设定的分频系数 分频系数基准时钟频率（16比特率）,49,4. 通信线路控制寄存器LCR,指定串行异步通信的字符格式,50,5. 通信线路状态寄存器LSR,提供串行异步通信的当前状态 供CPU读取和处理,51,6. 调制解调器控制寄存器MCR,设置8250与数据通信设备之间 联络应答的输出信号,52,7. 调制解调器状态寄存器MSR,反映4个控制输入信号的当前状态及其变化 MSR高4位中某位为1，说明相应输入信号当前为低有效，否则为高电平 MSR低4位中某位为1，则说明从上次CPU读取该状态字后，相应输入信号已发生改变，从高变低或反之 MCR低4位任一位置1，均产生调制解调器状态中断，当CPU读取该寄存器或复位后，低4位被清零,RLSD RI DSR CTS RLSD RI DSR CTS,53,8. 中断允许寄存器IER,8250设计有2个中断寄存器和4级中断 4级中断的优先权，是按照串行通信过程中事件的紧迫程度安排的、是固定不变的 用户可利用中断允许或禁止进行控制 中断允许寄存器的低4位控制8250这4级中断是否被允许 某位为1，则对应的中断被允许 否则，被禁止,接收数据错,MODEM 状态变化,0 0 0 0,发送寄存器空,接收数据就绪,D7,D4,D3,D2,D1,D0,54,4级中断,接收线路状态中断 奇偶错、溢出错、帧错和中止字符 接收器数据准备好中断 发送保持寄存器空中断 调制解调器状态中断 清除发送状态改变 数据终端准备好状态改变 振铃接通变成断开 接收线路信号检测状态改变,优先权高,优先权高,优先权低,55,9. 中断识别IIR,保存正在请求中断的优先权最高 的中断级别编码,56,目录,5.1 串行通信基础 5.2 串行接口标准RS-232C 5.3 通用异步接收发送器8250 5.4 异步通信适配器及编程,57,5.4 异步通信适配器及编程,IBM PC/XT机的串行异步通信适配器 以8250为核心 完成发送时的并转串和接收时的串转并以及相应的控制工作 配置了TTL电平与EIA电平转换电路等 展开异步通信适配器的 硬件电路 软件编程,58,5.4.1 异步通信适配器的接口电路,注意：J9J12跨接器 和OUT2*的作用,59,5.4.2 异步通信适配器的初始化编程,对8250的内部控制寄存器进行编程写入 写入除数寄存器 设置传输速率 写入通信线路控制寄存器 设置字符格式 写入调制解调器控制寄存器 设置工作方式 写入中断允许寄存器 设置中断允许或屏蔽位,60,设置传输率,mov al,80h mov dx,3fbh out dx,al ;写入通信线路控制寄存器，使DLAB1 mov ax,96 ;分频系数：1.8432MHz(120016)9660H mov dx,3f8h out dx,al ;写入除数寄存器低8位 mov al,ah inc dx out dx,al ;写入除数寄存器高8位,写入除数寄存器,61,设置字符格式,mov al,00001010b mov dx,3fbh out dx,al ;写入通信线路控制寄存器 ;这段程序同时使DLAB0,写入通信线路控制寄存器,62,设置工作方式,设置查询通信方式 mov al,03h ;控制OUT2*为高，DTR*和RTS*为低 mov dx,3fch out dx,al ;写入调制解调器控制寄存器 设置中断通信方式 mov al,0bh ;控制为OUT2*低，允许INTRPT产生请求 mov dx,3fch out dx,al,写入调制解调器控制寄存器,63,设置中断允许或屏蔽位,mov al,0 ;禁止所有中断 mov dx,3f9h out dx,al ;写入中断允许寄存器（此时DLAB0）,写入中断允许寄存器,64,5.4.3 异步通信程序,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 可以发送数据就从键盘输入发送字符（用户没有输入字符就不发送） 如果按下ESC键返回DOS,65,查询通信线路状态,statue: mov dx,2fdh ;读通信线路状态寄存器 in al,dx test al,1eh ;接收有错误否? jnz error ;有错，则转错误处理 test al,01h ;接收到数据吗? jnz receive ;是，转接收处理 test al,20h ;发送保持寄存器空吗? jz statue ; 不空，循环查询,异步通信程序,66,检测键盘输入,mov ah,0bh ;检测键盘有无输入字符 int 21h cmp al,0 jz statue ;无输入字符，循环等待 mov