（粒子物理与原子核物理专业论文）基于vme总线的多通道智能串行系统.pdf

：皓t v m e 总线的多通道智能串行系统 中国科技大学 硕士论文! ! 坚 摘要 f 近二十年来，基于v m e 总线的插件仪器在工业、科研、军事等领域等到了越来越多 的应用。然而由于v m e 产品开发需要昂贵的硬件( v m e 机箱) 和软件( 嵌如式操作系 统) 投入，国内大部分v m e 产品都是从国外进口过来的。但是由于v m e 产品大都是应用 在重要的领域尤其是军事领域。一旦这些产品在特定的时候遭到了封锁，则其负面影响不 可估计。 因此设计和开发基于v m e 总线的产品在工业和国防有着重要的作用。设计和开发基 于v m e 总线的多通道串行通信卡在国内是一个新的项目，也是一项富有挑战性的工作。 在军用直升机上急需这类产品，特别是需要拥有自主产权的产品。我在基于v m e 总线 的多通道智能串行系统研制当中担负了整个项目的原理设计以及相关的调试工作。串行 系统已经通过了样机和正样的实验，并开始进行小量生产。智能串行系统包括两部分：基 于v m e 总线的多通道智能串行通信卡和基于p c 机器的v m e 仿真平台。广p 一一 本论文的主要工作 1 基于v m e 总线的多通道智能串行通信卡的硬件设计； 硬件设计包括v m e 总线接口的实现、通信协议处理器m c 6 8 3 6 0u a r t 通信的 实现、本地处理器m c 6 8 0 4 0 对协议处理器的配置等。咳智能通信卡具有6 个完全独立 的u a r t 串行通道。每个通道可以根据用户的需要软件设置为同步u a r t 或者异步 u a r t 通信。单个通道同步串行传输速度可以高达1 6 m b p s ，异步u a r t 传输速度可 以达到3 3 3 k b p s 卜 2 基于v m e 总线的多通道智能串行通信卡的软件设计； 智能串行通信卡的软件设计包括两部分：本地处理器m c 6 8 0 4 0 的b o o t 程序以 及v m e 界面控制程序( b o o t 程序是用来设置通信协议处理器和处理通信通道完毕 发出的中断以及处理v m e 发出的控制中断v m e 界面控制程序是智能系统基于 v m e 总线开发的通信控制程序，用户可以根据该程序另行开发自己的通信程序。卜、r _ 。 3 基于v m e 总线的多通道串行系统的组建 简要介绍了该串行系统的组成：v m e 仿真平台和智能串行通信卡以及测试卡。 ( v m e 仿真平台是用p c 机器的并口来实现v m e 总线的操作，为没有v m e 机箱的用户 提供了方便。在该系统上面可以实现智能串行通信卡的调试和串行通信的测试。 本论文涉及到的c p u 设计技术、v m e 总线的应用开发以及支持在线调试技术、 可编程逻辑器件应用技术、通信协议处理器的配置等技术，不仅能够用于串行通信系 统，而且可以被广泛地应用在国防、科研、工业生产和医疗卫生等领域。户1 ，一 基于v m e 总线的多通道智能串行系统 中国科技大学硕十论文瓣要 a b s t r a c t i nt h ep a s tt w e n t yy e a r s ，i n s t r u m e n t sb a s e do nv m e b u sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l y u s e di n m a n ya r e a s b e c a u s eo ft h ec o s t l y h a r d w a r ea n ds o f t w a r ee x p e n s e s ，m o s to fs u c h i n s t r u m e n t sa r ei r e p o r t e df r o mo t h e rc o u _ i r l q e s b u ta sw ek n o w , i n s t r u m e n t sb a s e do nv m e b u s a r em a i n l yu s e di ni m p o r t a n ta r e a s ，s u c ha si n d u s t r y ，e s p e c i a l l ym i l i t a r ya r e a t h en e g a t i v ee f f e c t c a n tb ee s t i m a t e di f t h ei m p o ai si n h i b i t e d t h ed e s i g no fam u l t i - c h a n n e ls e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a r db a s e do nv m e b u si no b rc o u n t r y i si n n o v a t i v ea n dc h a l l e n g i n g t h i sc a r di si nd e s i r a b l eu s ei nm i l i t a r yh e l i c o p t e r i nt h i sw h o l e s y s t e md e s i g n ，m yw o r kc o v e r st h es c h e m a t i ca n df c bd e s i g na n dt h ew h o l ed e b u go ft h i s s y s t e m t h r e em a i nw o r k si si n v o l v e di nm yt h e s i sp r o j e c t ： ( 1 ) t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h em u l t i - c h a n n e li n t e l l i g e n ts e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a r db a s e d o n v m e b u s t n eh a r d w a r ed e s i g nc o n s i s t so ft h ev m eb u si n t e r f a c ed e s i g n t h er e a l i z a t i o no fu a r t c o m m u n i c a t i o nu s i n gm c 6 8 3 6 0a n dt h ec o n f i g u r a t i o no fm c 6 8 3 6 0u s i n gm c 6 8 0 4 0e t c t h e c o m m u n i c a t i o nc a r dh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： s i x t o t a l l yd e p e n d a n t u a r tc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s e a c hc h a n n e l c a l lb es e tt oe i t h e rs y n c h r o n o u su a r tc o m m u n i c a t i o nm o d eo r a s y n c h r o n o u su a r t c o m m u n i c a t i o nm o d e b y s o l f w a r e t h c s p e e do fs y n c h r o n o u sl i a r t c o m m u n i c a t i o nc a r lr e a c hi 6 m b p s a n dt h es p e e do f a s y n c h r o n o u su a r t c o m m u n i c a t i o ns p e e dc a l lr e a c h 3 3 3 k b p s ( 2 ) t h es o f t w a r ed e s l g no ft h em u l t i - c h a n n e li n t e l l i g e n ts e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a r db a s e d o n v m e b u s t h es o f t w a r ed e s i g nc o m p o s e st w op a r t s ：t h eb o o t p r o g r a mo fm c 6 8 0 4 0a n dt h e v m ei n t e r f a c ec o n t r o l l i n g p r o g r a m ( 3 ) t h em a k e u po f t h em u l t i c h a n n e ls e r i a ls y s t e m t h ew h o l es e r i a ls y s t e mi sc o m p o s e do ft h em u l t i - c h a n n e li n t e l l i g e n ts e r i a lc o m m u n i c a t i o n c a r da n dv m e - s i m u l a t e df l a th a s e do np c 致谢 本论文是在王砚方教授的悉心指导下完成的。王教授除了具有渊博的知识 以及严谨的治学态度外，在生活当中给了我很多的关一h 在此对王老师表示衷 心的感谢。王教授领导的快电子实验室是一个充满活力和友爱的集体，我在此 度过了三年的美好时光。这段时光将使我受益匪浅。 在本论文的设计过程中，多次跟实验室的刑涛博士、张万生博士、冯海涛 博士、乔崇硕士等进行方案的讨论和审核，他们的建议对我的工作大有裨益。 他们的大力帮助使得该论文顺利完成。本实验室的程伊敏小姐为了该项目付出 很多的心血。对于他们的帮助表示深深的谢意。尤其感谢乔崇硕士，该项目主 要由我们两个协作完成的。 感谢何浩硕士、伍杰博士和杨俊蜂硕士，他们的工作经验减少了项目设计 的纰漏。 另外我还要感谢我的父母，感谢他们在学业上对我的长期支持和生活的无 微不至的关怀。 真诚感谢所有给予我帮助的人们 奉j v 骶总线的多通通钾能串 亍系统 中阍科技人学碰七论文 绪论 第一章绪论 v m e 总线作为最早的国际通用开放式总线，自1 9 8 1 年起，其影响不断扩大，功能不 断完善，现在已经成为性能最好、应用最i 。的国际总线标准之一。该总线数据传输速率 高，可靠性好，实时性强在自动测试、军事通讯、自动控制方面得到了广泛的应用。 基于v m e 总线的通信产品开发是该领域的一个重要方向。而串行通信由于其传输距 离远、抗干扰性强以及传输信号线少等优点成为通信传输的首选。在国内，由于v m e 产 品开发成本相对比较高，大部分该类产品都是从国外引进的。因此对于重要领域如国防、 ：业等，如何开发自主知识产权的产品成为研究的重点。基于此点，我们设计了应用在雷 达、直升机等军事系统的多通道高速智能串行通信卡。 本章将对本论文涉及到的v m e 总线、串行通信以及用到的操作系统v x w o r k s 相关技 术与知识做一介绍。 1 1v m e 总线介绍 1 1 1v m e 总线起源 v m e ( v e r s a m o d u l e e u r oc a r d ) 总线是在1 9 8 1 年由m o t o r o l a 、m u s k e t 、t h o m s o n 等 几个大公司在v e r s a 总线和欧洲板( e t t r o c a r d 或e u r o b o a r d ) 结构基础上提出的。是国际 上最早的开放式3 2 位标准总线自1 9 8 1 年起，v m e 总线影响不断扩大，功能不断完善。 现已成为性能最好、应用最广的国际总线标准之一。1 9 8 6 年，v m e 总线被i e c ( 国际电子 组织) 接受为i e c 8 2 1 总线规范，1 9 8 7 年被i e e e 接受为i e e e l 0 1 4 规范，1 9 9 1 年i e e e 制定 了6 4 位的v m e 总线标准v m e 6 4 ( i e e e1 0 1 4r e v d ) 。 v m e 总线与其他总线的比较如表1 1 。其中，s t d 总线主要应用于工业控制领 域的各个方面；p c 系列总线，例如p c i 局部总线的制订目的是建立一种工业标准， 能提供低成本的，允许有差别的高性能局部总线p c i 总线不仅可以应用于高，中， 低档台式机中，还可用于便携机和服务器中。对p c i 器件和扩展卡，还定义了配置寄 存器。带有嵌入式自动配置软件的系统在上电时自动调整p c i 扩展卡结构，使用户真 正易于使用m u t i b u su 也是一种高性能背板总线，但从市场角度看，它是一个失 败的总线与v l l e 总线相比支持厂商很少。 筵刿 同步异步数据地址数据总线地址总线宽度是否支持中断 总线、总线是否复用宽度以及中断数 i b m p c 异步否 82 0 y ( 8 ) p c i 同步是 3 23 2 y ( 4 ) s t d b u s 异步否 81 6 y ( 2 ) v e r s ab u s 异步否8 。1 6 ，3 21 6 ，2 4 ，3 2y ( 7 ) v m e b u s 异步否8 1 6 , 2 4 3 21 6 , 2 4 , 3 2 y ( 7 ) 是( v i n e 6 4 ) 6 4 ( v i n e 6 4 )6 4 ( e “) 表1 1 各种总线比较 基j ：v 眦总线的多通道智能串行系统中陶科技大学坝士论文 绪论 由于v m e 总线对电气、机械等方面的严格规定以及在数据传输、仲裁和中断处 理等方面的高性能，特别是它的协议提供了许多用于多主系统( 即紧偶合多处理机系 统) 的功能，使得v m e 产品在实时应用领域获得广泛应用。据v d c ( v e n t u r e d e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o n ) 9 9 年的一份报告，在1 9 9 7 年，在实时和嵌入式产品中， v m e 总线产品占5 3 6 ，其中在军事，电信和工业过程控制领域，v m e 总线产品更 是处于领先地位。 现在，v m e 国际联合会( v i t a ) 已有成员单位一百多名，提供数千种的v m e 总线模块和设备以及丰富的软件产品。在v m e 总线技术不断发展的同时，已派生 出许多基y - v m e 总线技术的扩展总线标准如v x i 等。这一切都说明v m e 总线是一 种高性能、产品丰富、极具发展潜力的总线系统。 1 1 2v m e 总线结构 v m e 总线是一种非复用的3 2 位异步总线，在v m e 6 4 标准中，可以用地址数 据线复用的方式传输6 4 位数据，达到8 0 m b y t e s 的高速数据传输速率。 v m e 总线由数据传输总线( d t b ) 、仲裁总线、中断总线以及公用总线组成。 1 1 2 1 数据传输总线( d t b ) 数据传输总线是v m e 总线系统信息交换的主要介质。例如主模块利用d t b 与 从模块的存储器进行数据传输，中断请求器用d t b 获取中断控制器发送的状态识别 字。 v m e 总线主控模块使用地址线a 1 一a 3 l 来寻址( v m e 总线没有a 0 ) ，同时使 用地址修正字a m 0 一a m 5 来指明地址宽度、总线传输类型等，此外还用信号线 a 0 1 、a 0 2 、d s 0 + 、d s l + 和l w o r d + 来实现非对齐数据传输并用i a c k * 来指明当 前是否是中断响应周期。如果是中断响应周期，从模块可以不对地址修正字a m 0 一 a m 5 译码。 数据传输总线共有5 种周期，常用的有普通读写周期。块传送周期，读修改写 周期和中断响应周期普通读写周期用于一般的单次数据传送；块传送周期一次最多 可传送2 5 6 个字节，大大提供数据传输速度；读修改写周期在多处理机系统中特别 有用它使得处理器可以用一条指令访问系统中表示资源是否可用的标志，避免了多 个处理机争用一个资源；中断响应周期提供中断向量 1 1 2 2 仲裁总线 v m e 总线允许存在多个总线主控模块。如果多个主控模块同时要求访问系统的共享资 源，则会出现冲突，严重时候会导致系统死锁。v m e 总线为此提供了硬件仲裁总线模块。 仲裁的原则是：不允许两个或更多总线主控同时控制总线；按优先级分配总线。 当某个总线主控请求控制总线时，必须通过板上的总线请求器使总线请求信号b r 0 * 一 b r 3 。中的某一个有效。位于第0 槽的总线仲裁器从当前所有的总线请求中，选择一个优先 级最高的b r x + ，然后驱动相应的总线授予信号b g o u t x * 有效。离第0 槽最近的模块收到 有效的b g o u t x 后，判断自己是否使用b r x * 发出过总线请求。如果是，则获得总线控制 权；否则将b g o u t x * 沿着总线允许菊花链结构传给下一个模块。 总线调度算法有3 种：( 1 ) 固定优先级，b r 3 * b r 2 * b r i * b r 0 * ：( 2 ) 轮转优先级也就是按b r 0 + 到b r 3 + 再b r 0 * 至0b r 3 * 的顺序依次分配总线，如果前 一次仲裁允许了b r 0 ，那么下一次仲裁就是b r i * 优先级晟高，b r 2 * 其次，而b r 0 * 摹n ，叭总线的多通道智能串行系统 中陶科技夫学硕士论史 绪论 最低。( 3 ) 只响应b r 3 + 的总线请求。此外，使用同一级总线请求信号的总线主控t 由于菊花链结构，优先级也不同。显然距离总线仲裁器近的总线主控优先级高于距离 总线仲裁器远的总线主控 1 1 2 3 中断总线 v m e 总线有i r q l - i r q 7 * 共7 级带优先级的中断请求信号i r q 7 * 的优先级最 高。 当v m e 总线上的中断控制器监测到某个中断请求信号i r q x * 有效而且可以被响 应时，就向总线仲裁器发出总线请求。当中断控制器得到总线控制权后，驱动中断响 应信号i a c k * 有效，并将中断级别x 放在a 0 1 一- a 0 3 上。同时启动中断响应菊花链， 将i a c k l n * 置为有效。之后，菊花链上的第一个模块开始比较是否是自己请求了x 级 中断。如果不是，就通过菊花链将i a c k i n + 信号传递给下一个模块。如果是，则把相 应的状态识别字放在数据传送总线上，并驱动d t a c k * 有效。中断控制器收到状态 识别字后就启动相应的中断服务程序。 1 1 2 4 公用总线 公共总线包括系统时钟( s y s c l k ) 线，串行时钟线( s e r c l k ) ，串行数据线 ( s e r d a t * ) ，交流故障线( a c f a i l ) ，系统复位线( s y s r e s e t ) 和系统故障线 ( s y s f a i l ) 。交流故障线和系统复位线主要用于上电和掉电顺序监测，串行时钟和数 据线用于总线间的串行通讯。系统故障线在v m e 6 4 里面可以用来实现v m e 板卡的 自动i d 分配。 1 1 3v m e 总线的主要特点 采用总线主控( m a s t e r ) 目标( s l a v e ) 结构； 异步、非复用传输模式： 支持1 6 位、2 4 位、3 2 位寻址及8 位、1 6 位、2 4 位、3 2 位数据传输； 支持跨界数据传送； 数据总线单线传输速率1 0 m b i t s ，整个数据总线最大数据传输率4 0 m b y t e e d s 。 优异的中断处理机构和高速的实时中断响应能力；7 条中断请求线菊花链优先 级队列 4 条总线请求线，菊花链优先级队列； 最多支持2 1 个处理器； 总线错误及系统错误检测。 v m e 总线的模板结构具有良好的抗震能力，抗冲击能力 除此之外，v m e 6 4 总线可以通过a u t o - i d 的功能实现v m e 插卡的在线调 试。目前这种结构已经成为工业界的标准 这些特点使得v m e 成为性能极佳、i o 吞吐能力最强、应用最广泛的开放总线 标准。 基j v m e 总线的多通道钾能串行系统 中国科技大学 硕士论文绪论 1 1 4v m e 总线机械规范 v m e 模块的尺寸有多种规格：有标准单高1 6 0 x1 0 0 r a m ( 3 u ) 及标准双高1 6 0 2 3 3 m m ( 6 u ) 和非标准的大尺寸模块。使用标准的1 9 英寸机箱的v m e 系统最多可插 2 l 块v m e 模块。其中6 u 的v m e 机箱最为常用，由两个d i n 4 1 6 1 2 连接器构成，分 别称为p 1 、p 2 。每个连接器都有3 列每列3 2 根共9 6 根引脚。其中p 1 的所有引脚都 有定义，p 2 上只有b 列有定义，而且全是地址、数据和电源线，其目的是将p 1 的2 4 位寻址能力扩充到3 2 位，数据总线宽度从1 6 位扩展到3 2 位。p 2 上未定义的引脚可 以用户自定义。 1 1 5v m e 总线最新发展 1 1 5 1各种改进的v m e 总线标准 ( 1 ) v m e 6 4 9 0 年代以来，各公司纷纷发展v m e 6 4 技术。1 9 9 5 年，v i t a 正式颁布了 v m e “标准( a n s i v i t a l 1 1 9 9 4 ) ，其关键技术是所谓的m b l t ( m u l t i p l e x e db l o c k t r a n s f e r ) 将v m e 的数据线扩展到6 4 位( 地址数据线复用) ，最大数据传输率增加了 一倍。达到了8 0 m b y t e s 。单线传输率仍是1 0 m s 。v m e 总线连接器( c o n n e c t o r ) 改为 5 排针系列( 5 - r o wd i nc o n n e c t o r ) 。 ( 2 ) 2 e v m e 2 e v m e ( t w o e d g ev m e ) 技术的核心是利用控制信号( s t r o b e 、a c k ) 的两个沿 来传输数据，并且采用新的g t l 总线收发器，实现了所谓的入射波切换( i n c i d e n t w a v es w i t c h i n g ) 。2 e v m e 技术在1 9 9 7 年v i t a 正式颁布的v m e 6 4 x 标准 ( v i t a l 1 1 9 9 7 ) 中得到了实施采用2 e v m e 技术，v m e 总线的最大数据传输率达 到了1 6 0 m b y t e s ( 3 ) 2 e s s t 目前，2 e s s t ( t w oe d g es o u r c es y n c h r o n o u st r a n s f e r ) 还未成为v i t a 的正式标 准，但是，从1 9 9 7 年第一个讨论稿( d i o ) 以来，已有五个修改稿( d 1 5 ，1 9 9 8 年4 月) 问世2 e s s t 的最大特点是将传统v m e 的异步数据传输机制改为同步数据传输 机制，同时采用所谓的v m e 3 2 0 技术( 采用“星”结构和集总电容技术，消除总线 的传输线效应) ，将v m e 总线的最大数据传输率提高3 2 0 m b y t e s 。 以上都是为了提高v m e 总线本身的数据传输率所做的改进，另外，还有一些改 进是以v m e 总线为平台，附加一些辅助总线和技术，从而大大增加了v m e 总线的 整体性能。这些辅助总线和技术有：r a c e w a y , s k y c h a n n e l ，m y r i n e t ，s c s a ，a t mc e l l b u s ，h i c ( h e t e r o g 锄e o u si n t e r c o n n e c t ) 和p 2 c i 等。 1 1 5 2 今后的发展趋势 ( 1 ) “星”结构 按照v i t a 委员会执行总裁b a ya l d e r m a n 先生在1 9 9 7 年年度报告中的预测，使 基j ：v m e 总线的多通逊钾能串行系统 硕士论文绪论 _ 【l j “星结构的v m e 3 2 0 技术，1 9 9 8 年底，v m e 总线将可以在6 6 m h z 的时钟f 工 作或者说，最大的数据传输率将会超过5 0 0 m b y t e s 。而t r e n e we l e c t r o n i c 公司的 a n d r e a sl e n k i s c h 先生则进一步提出了1 0 0 0 m b y t e s 的设计目标，并且已做了电路参数 的仿真。 ( 2 ) 光背板总线( o p t i c a lb a c k p l a n e s ) 五年来，一直有五个公司( v i t a 成员) 在v i t a 委员会执行总裁b a ya l d e r m a n 先生的协调下进行光背板总线的研究和设计，已有公司准备为用户设计将光纤埋在环 氧树脂层中的光背板总线。b a ya l d e r m a n 先生预测光背板总线一定会得到应用，那时 v m e 总线将只作为背板总线的控制总线使用。 ( 3 ) 附加串行总线 由于串行总线的速度在持续增加，如a u t o b a h n ，u s b 和i e e e1 3 9 4 等。b a y a l d e r m a n 先生预测将在p 2 或p o 位置上附加环行的串行辅助总线，以充分利用各种串 行总线的优点。 ( 4 ) 高速串行总线 除了在沿着传统的并行的v m e 总线方面继续发展外，v i t a 委员会组织了 2 5 个主要工作在军事和通讯领域的成员，成立了一个工作组，另辟蹊径，正在 开发高速的串行总线，他们称为“d a t af l o w ”。其数据传输率为2 3 g b i t s ， 这类似于i n t e l 公司的n g i o 计划。 1 2 串行通信介绍 数字信号传输通常有两种方式：并行通信和串行通信并行通信时。数据各位 同时传送，这种传输方式速度快，但使用的信号线也多。随着通信距离的增加，通信 成本的增加将成为突出的问题，而且传输的可靠性随着距离的增加而下降。并行通信 主要适用于通信距离小于3 0 米的近距离场合。对于远程通信，一般都采用串行通信 方式，即将并行数据转换成串行数据进行数据传送显而易见，串行通信相对于并行 通信而言数据传输速率比较低。 1 2 1 串行通信协议 在串行通信中，有一个重要的问题就是发送端和接受端的同步问题，为了保证 发送接受数据正确，发送和接受方应该相互协调配合。倘若两端不协调，不管串行速 度是多少，都会造成数据传输的误差。随着通信数据量的增多，误差就会不断的积 累，最终导致数据传输错误。因此串行通信能否进行正常的工作很大程度取决于收、 发两端能否进行很好的“同步”。这里的“同步”指的是接受和发送双方就通信数据 格式、同步控制方式、差错处理、应答方式以及信号格式做出的统一规定。串行通信 的这种统一规定称为通信协议。目前串行通信协议主要分为两大类：同步通信协议和 异步通信协议。下面将分别介绍。 摹j v m i ! 总线的多通道柙能中行系统 中国科技大学 坝士论文绪论 1 2 1 1 异步协议通信( u a r t 通信) 通信。 异步通信简称起止通信方式，是串行通信中最常用的通信方式，又称为u a r t 1 通信数据格式 通信数据的格式如图1 - l 。在不发送数据的时候，数据信号线总是呈现高电平， 称为空闲状态。当有数据要发送时，数据信号线变为低电平，井持续一位的时间，用 于表示字符的开始。紧接着起始位就是要发送的数据字符，低位先出现，高位最后出 现。不同的编码方式，发送的字符的数据位数也不一样，一般为5 - 8 位。在数据位的 后面有一个奇偶校验位，用来表示字符中的“1 ”的个数是奇数还是偶数，系统当中 可以不用奇偶校验位。然后就是停止位，用来表示该字符传输的中止，停止位可以是 l 位也可以是一位半或者两位。 v 一一一摹“个字符t 一犍) v v一 1卜弼n 十1 ) 4 节符 量! 雹堡、璧垫。塞辞 ! 罂塑照 ，一 一r 了l 匦砸曩甄下五匦礤面可下一i 。f b 匝曼= 嚣卜s 。黼黜一一l 差薹位t 盘位 图l - 1 异步通信数据格式 2 数据的接收和发送 异步串行通讯的发送方，在初始化好通信参数以后，首先发出一个起始位( 低 电平) ，然后把要发送的数据按照低位优先与高位最后的次序依次发送出去，接着根 据用户的需要决定是否发送奇偶校验位，最后发出停止位当通信的接受方准备接受 数据时，不断检测串行输入线上电平的变化，当检测到串行输入线上有起始位时。接 着就把起始位后面的数据信号依次接受下来直到监测到停止位。 根据发送和接受数据方式的不同。u a r t 通信可以分为两种：同步u a r t 和异 步u a r t 所谓同步u a - r t 指的是通信除了传输数据以外，还需要提供时钟信号对 于发送端来说，发送方在发送时钟的上升沿把数据发送出去图1 2 就是同步u a r t 发送数据时的格式接受方在发送方的时钟上升沿对数据进行采样，并按照串行通 信协议进行数据的接受 ，钟儿z 叩肿w 叫叩 珊 校 l8 据 ； 苫 验 | ll 图i - 2 同步u a r t 发送数据格式 异步u a r t 不传送时钟信号，发送时钟和接受时钟一般为波特率的8 、1 6 或者 3 2 倍，通信时钟大部分采用的是1 6 倍波特率。这种措施可以减少传输的信号线，同 时提高系统的抗干扰能力。异步u a r t 接受端可以参考图1 3 ，接受时钟为波特率的 1 6 倍，在接受时钟的上升沿对输入信号进行采样，当检测到数据线上连续8 个或者9 基】v m f ：总线的多通道智能串行系统 中国科技人学颁十论文 绪论 个时钟为低电平的时候，! i i j 确定起始位。这样可以避免外部噪声的干扰，避免假的起 始位，相当于确定起始位的中间点，以此作为时间基准，然后每隔1 6 个采样时钟对 其数据位进行采样，以确保传输数据的正确性。 * 盘”一一0 一一“n * n ，；“- ， _ 毳黔 nw*l ! 一 t 能巍f 一_ _ 一_ _ _ r 一乜 ? ：能瓢o - 厂、f 一v f p v v v 、，m ll ，l li 5o、 j 图1 - 3 异步u a r t 接受数据模式 3 异步通信数据流控制 为了保证数据发送端在接受端没有准备好之前不传输数据，就需要发送端和接 受端进行握手控制。常用的方法有采用软件握手和硬件握手两种方法。所谓软件握手 是指发送端在发送数据时候根据接受到的控制字符( x o r d x o f f ) 来决定是否继续数据 的发送，接受端用控制字符( x o n x o f f ) 来告诉发送端现在的状态信息。硬件握手是 指发送端在准备发送数据的时候通过信号线( r t s ，请求发送) 告诉接受端发送端要发送 数据，当检测到接受端发来的握手信号( c t s ) 有效就开始传输数据。 4 异步通信的特点 ( 1 ) 异步u a r t 通信协议对收发双方的时钟同步要求不高，即使收、发双方的时 钟频率存在一定偏差，只要不使接收器在一个字符的起始位之后的采样出现错位现 象，则数据传输仍可正常进行因此，异步通信的发送器和接收器可以不用共同的时 钟，通信的双方可以各自使用本地时钟如果异步通信传输速率比较高，可以采用同 步u a r t 通信模式，只是多了时钟线的传输 ( 2 ) 实际应用中，串行异步通信的数据格式，包括数据位的位数、校验位的设置 以及停止位的位数都可以根据实际需要，通过可编程串行接口电路，用软件命令的方 式进行设置。在不同传输系统中，这些通信格式的设定完全可以不同；但在同一个 传输系统的发送方和接收方的设定必须一致，否则将会由于收、发双方约定的不一致而造 成数据传输的错误与混乱 ( 3 ) 串行异步通信中，发送一个字符需要一些附加的信息位，如起始位、校验位 和停止位等这些附加信息位不是有效信息，它们被称为额外开销或通信开销，这种 额外开销使通信效率降低例如一个字符由7 位组成，加上一位起始位、一位校验位 和一位停止位发送一个字符必须发送l o 位。而其中只有7 位是有效的。其余3 位 不是有效的，通信能力的3 0 成了额外开销所以异步通信适用于传送数据量较少或 传输要求不商的场合对于快速、大量信息的传输，一般采用通信效率较高的同步通 讯模式。 1 2 1 2 同步通信协议 为了加快数据的传输，高速的m o d e m 、数字通信通道及电话线进行远程通信 时，都使用同步串行通信，这时需要一系列的联络信号，除了异步通信中介绍的握手 信号以外，发送方和接受方之间需要更高一级的协议来保证数据的正确传输。 1 、同步方式通信的特点 ( 1 ) 异步方式中并不要求收、发两端对传输数据的每一位均保持同步，而仅要求 基j ：v m l g 线的多通道智能串行系统中因科技大学 碰十论文绪论 在一个字符的起始位后，使其中的每一位同步。而同步方式通信则要求对传送数据的 每一位都必须在收、发两端严格保持同步，即所谓“位同步”。因此，同步方式中， 收、发两端需川同一个时钟源作为时钟信号。 ( 2 ) 同步方式传送的字符没有起始位和停止位，它不是用起始位表示字符的开 始收发双方的同步方法可分为外同步法和内同步法。外同步法是在发送数据之前向 接收端发送一串时钟脉冲，接收端按这个时钟频率调整自己的时序，使接收时钟频率 锁定在接收到的时钟频率上，并作为同步时钟来接收数据。内同步法是接收端从接收 到的数据信息波形本身提取同步的方法。 ( 3 ) 同步通信协议分为面向字符和面向比特两种。 ( 4 ) 同步通信时，字符数据不允许有空隙。当线路空闲或没有字符可发送时，可 发送收、发双方约定的同步字符。 ( 5 ) 同步通信传输效率高，适合于快速、大量数据的传送。 2 、同步通信协议概述 如上所说，同步通信协议可分为两类： ( 1 ) 面向字符的同步通信协议。这类协议目前有两种： b m 一国际标准化组织i s o 提出的基本型同步通信协议 b s c m m 公司提出的二进制同步通信协议。 ( 2 ) 面向比特的同步通信协议 h d l c 一国际标准化组织i s o 提出的高级链路控制协议； s d l c m m 公司提出的同步数据链路控制协议； a d c c p 一美国国家标准化协会a n s i 提出的先进数据通信协议 x 2 5 第二级一国际电报电话咨询委员会c c i t t 提出的协议； d d c m p - - 美国d e c 公司提出的数字数据通信信息协议。 3 、面向字符的同步通信协议 这种协议较早在二十世纪6 0 年代就开始发展，目前仍在使用，其典型代表是i b m 公司提出的二进制同步通信协议b s c ，下面简单介绍一下这种通信协议。 ( 1 ) 面向字符的同步通信协议b s c 的帧格式 该协议以若干字符组成一个信息块一起发送，一个信息块称为一帧，用一些特 殊定义的字符来定义一帧的开始、结束和分隔不同的段以及控制整个信息交换过程。 此种协议的一般帧格式如图1 - 4 所示。 同步字符 园园 16 h1 6 h 报头开始 匪亟 卫 0 l h 图1 - 4 面向字符的同步通信协议的帧格式 ( 2 ) 特殊定义的字符 s y n 是同步字符，每帧开始有若干个s y n 。接收端一旦检测到同步字符 s y n ，就知道一帧开始了。 s o h ( s t a r t o f h e a d e r ) 表明标题的开始，称为序始符。标题中可以包括源地址、 目的地址和路由指标等信息。 艘 政匦 摹jv 骶总线的多通道钾能串行系统 中国科技人学硕士论文绪论 s t x ( s t a r to f t e x t ) 称为文始符，标志着传送数据正文的开始。数据块是传 送正文的内容。 e t b ( e n do f t r a n s m i s s i o nb l o c k ) 称为组终符 e t x ( e n do f t e x t ) 称为文终符。e t b 用在正文很长，需分成若干个数据块， 在不同帧中传送的情况，除晟后一个数据块后用外，其余数据块后都用e t b 。 b c c 块校验是对前面从s o h 开始，直到e t x ( 或e t b ) 进行检验产生的校验码，可以 用奇偶校验，也可以用c r c 校验。除上面提到的特殊字符外，还有一些其它字符 起着通信控制作用。 面向字符的同步通信协议与异步通信协议相比，由于不需要在每个字符的前后加起始 位和停l e 位，所以传输效率明显提高，尤其是当传输较长数据时效果更明显。这种协议与 特定的字符编码集关系密切，所以不利于兼容，并且实现起来也比较麻烦，为了克服这些 缺点，产生了面向比特的同步通信协议。 4 、面向比特的同步通信协议 面向比特的同步通信协议也可叫做面向位的同步通信协议，它有很多种，主要是 s d l c 、h d l c 和a d c c p 。这些协议大同小异，只有一些微小的差别，他们在一帧所传 输的数据位不必是字符的整数倍，只要不超过规定的数据位总长度，可以为任意长度的 比特位。此外，也不需要用特定定义的字符，而是用规定的比特模式来定义一帧的开 始、结束以及定义控制信息，故称为面向比特的同步通信协议。这些协议中最著名和常 用的是高级数据链路控制协议h d l c 和同步数据链路控制协议s d l c 这两种协议有着 几乎相同的帧格式。参见图1 - 5 。下面我们对h d l c 协议作简单介绍，h d l c 协议的数 据以帧为单位传送，每帧都以特定的位模式0 1 1 1 i l l 0 开始和结束，这种位模式称为标志 或标志域。标志域后跟8 位地址，对于发送方的控制帧和信息帧来说，存放的是目的站 地址而对于响应的接受方来说，控制帧和信息帧的地址域存放的是源站地址。在地址 之后根据需要设置一个字节的控制域，对于信息场和帧校验场来说。控制场的各位含义不 尽相同。 信息域只出现在信息帧里，位于控制域之后。对于h d l c 协议来说，信息域可以为任 意位，而对于s d l c 来说，信息域必须为8 的整数倍。在数据流中如果出现0 1 1 1 1 l l o ，就 会误认为标志域，因此要设法进行调整调整的电路由专门的电路来完成具体方法为： 一旦数据流中出现5 个连续的l ，就在其后自动填0 。接受方再将填充的0 去掉。 信息场后的下一个域是1 6 位帧校验序列。它是一个循环冗余字，根据帧起始标志和结 束标志之间的所有位计算出来，但不包括防止假标志字节填充的0 接受方也计算该c r c 值以便检测是否出错 i 一 一”。 。 一 1 0 1 1 1 1 1 1 0 | a 场lc 场l + m a 镑1 ，f e 场l o l 一1 1 1 1 1 0 ， 图1 - 5h d l c s d l c 帧格式 摹jv l ：总线的多垴道智能串行系统 中国科技大学 硕十论史绪论 1 2 2 串行数据传输方法及标准 随着串行通信技术在计算机领域与通信领域的广泛应用，电子工业 e i a ( e i e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o m 开发了各种串行接口标准。接口标准对串行电路中 所用到的接头插座的规格、各引脚的名称和功能、信号电平等均作了统一的规定。最 为常用的是k s 2 3 2 c 、r s 4 2 3 a 和r s 4 2 4 a 标准。 1 2 2 1r s 2 3 2 c 接口标准 1 信号电平 逻辑高电平( 或m a r k ) ：有负载时为一3 v 一1 5 v ，无负载时为一2 5 v 逻辑低电平( 或s p a c e ) ：有负载时为3 v 1 5 v ，无负载时为2 5 v 而在计算机或者通信领域，所采用的串行通信器件的电平标准为ttl 电平，因此为 了满足r s - 2 3 2 c 的电平标准，需要专门的电平转换器件来完成。 2 r s - 2 3 2 c 信号定义 r s - 2 3 2 c 标准对2 5 芯插件的每一个引脚的信号名称、功能都作了具体的规定 还有几个引脚未定义或予以保留。表i 2 给出了最基本引脚的名称和功能。 3 接插件规格 r s - 2 3 2 c 串行接口规定使用2 5 芯的d 型插头插座进行连接，对不需要2 5 芯引脚 的系统上，常采用9 芯d 型插件。 9 芯引脚号2 5 芯引脚号名称功能 1保护地 32t x d发送数据 23r x d接受数据 74r t s 请求发送 85c t s 清除发送 66d s r 数据装置准备好 57g n d 信号地 18c d 载波信号检测 42 0d t r 数据终端准备好 9 ，1 0 保留 1 l ，1 8 ，2 5未定义 1 1 0 、 摹 v 雌总线的多垴道智能串行系统中国科技人学 坝士论文绪论 1 2 2 2r s - 4 2 3 a 与r s - 4 2 2 a 接口标准 r s 2 3 2 c 的最人问题是当其以最大速率2 00 0 0 b p s 传输数据时，只能传输大约 1 6 4 米。若传输距离加长，传输速率将急剧下降。这个限制是由r s 2 3 2