（微电子学与固体电子学专业论文）通用异步接收发送器的设计.pdf

摘要 摘要 通用异步接收发送器x a , j a r t ：u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 主要 用于控制设备之间的串行通信。广泛应用于调制解调器m o d e m 、手持工业设备、 条形码阅读器、测试设备、消费产品与计算机p c 、微处理器芯片以及小型通信网 络之间的通信。在s o c 设计中，异步串行通信接口已成为不可缺少的一部分，它 的性能优劣将直接影响相应电子系统的性能和指标。 本论文采用自顶向下的正向设计路线，对u a r t 进行具体设计。包括系统划 分、编写代码、功能仿真、逻辑综合、综合后仿真、布局布线、时序仿真、下载 芯片选择等。在设计的不同阶段使用了不同的e d a 工具，包括m o d e l s i m 、s y n p l i f y 、 q u a r m s i i 等。 在具体实现上，本文给出了i ，a r t 的各个模块的详细设计，包括：发送器、接 收器、波特率发生器、同步先进先出缓存( f i f o ：f i r s ti nf i r s to u t ) 、m o d 锄控制模 块、接口模块。在u a r t 设计中，考虑到速度、面积和稳定性等因素，对各个模块 的具体设计做了优化。文中采用参数化设计方法，增强系统可移植性；考虑到u a r t 对时钟的特殊要求，对系统时钟做了一定的改进。论文最后给出了u a r t 综合优化， 仿真测试和分析的结果。结果表明，所设计的i7 a r t 功能上已达到设计要求。它可 支持标准异步串行传输r s 2 3 2 协议；提供调制解调器m o d e m 的控制信号；可编程 串行数据格式；可编程波特率；接收、发送全双工；内部自测试模式；各种出错 检验和中断；优先级中断控制系统。 关键字：通用异步接收发送器自顶向下设计先进先出缓存 a b s t r a c t a b s t r a c t u a r t ( u r t i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) i sm a i n l yu s e di nt h es e r i a l c o m m u n i c a t i o n so fc o n t r o ld e v i c e s ，a n dh a sl e n ti t s e l fa m p l yt ov a r i o u sa p p l i c a t i o n si t ： c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h em o d e m ，t e s te q u i p m e n t , c o n x q n m e re l e c t r o n i c sa n dc e n t r a l p r o c e s s o r ss u c h 船p c m i c r oc o n t r o l l e r , i ta l s of i n d sa p p l i c a t i o ni nt h ea r e ao fs m a l l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i ns o cd e s i g n s , a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c et e c h n i q u eh a sb e c o m ea l li n d i s p e n s a b l ep a r ti nt h ea r c h i t e c t u r ea n dp l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ep e r f o r m a n c eo f t h eo v e r a l le l e c t r o n i cs y s t e m i nt h i sp a p e r , t o p - d o w nd e s i g np r o c e s si sr e s e a r c h e d , w h i c hi n c l u d e ss y s t e m p a r t i t i o n , c o d i n g , f u n c t i o ns i m u l a t i o n , l o g i cs y n t h e s i s ，p o s t - s y n t h e s i ss i m u l a t i o n , p l a c e & r o u t e ，t i m i n gs i m u l a t i o n , s e l e c t i o no fc h i p ，e t e d i f f e r e n te d a t o o l sa r eu s e d 。 o nd i f f e r e n td e s i g np h a s e ，i n c l u d i n gm o d e l s i m ，s y p l i c i t y , q u a r t u sl ia n ds oo i l i np r a c t i c e ，t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s i g ni m p l e m e n t a t i o no fv a r i o u su a r t m o d u l e si n c l u d i n gr e c i e v e r w a n s m i t t e r 。b a u d - r a t eg e n e r a t o r , s y n c h r o n o u sf i f o ( f i r s t i nf i r s to u t ) ，m o d e mc o n t r o lm o d u l e ，i n t e r f a c em o d u l e i nu a k t d e s i g n , o p t i m i z a t i o n o l ls p e c i f i cm o d u l ed e s i g ni sc a r r i e do nw i t hr e g a r dt oa r e a , s p e e da n ds t a b i l i t y s y s t e mc o m p a t i b i l i t yi se n h a n c e dd u et ot h ep a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d o l o g y i nv i e w o ft h es p e c i a ls p e c i f i c a t i o n si m p o s e do nt h eu a r t c l o c k i n g , s y s t e mc l o c k i n gs c h e m e i sa l s oo p t i m i z e d i nt h ee n d , l o g i cs y n t h e s i s ，t i m i n gs i m u l a t i o na n da n a l y s i sh a , ：e a l s ob e e np e r f o r m e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o ni sr e a c h e d t h e i m p l e m e n t e du a r tc a nb eu s e di ns i t u a t i o n ss u c ha st r a n s m i t i o nu s i n gs t a n d m - d a s y n c h r o n o u ss e r i a lr s 2 3 2p r o t o c a l i ta l s of i n di t sa p p l i c a t i o n si nv a r i o u sa r e a s ，s u c h a sp r o v i d i n gm o d e mt h ec o n t r o ls i g r l a l ，p r o g r a m m i n gs e r i a ld a t a , p r o g r a m m a b l eb a u d r a t eg e n e r a t i n g , f u l ld u p l e xt r a n s m i t e ra n dr e c e i v i e r , e r r o rt e s t i a ga n di n t e r u p t g e n e r a t i n g ，i n t e r r u p ta r b i t r a t i o nc o n t r o l l i n ga n d s oo na n ds of o r t h k e y w o r d s ： u a r t t o p - d o w nd e s i g nf l o w f i f o 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后应遵守此规定) 本人签名：查确 日期：型! z ：兰兰 导师签名：整蕴查日期；丝z ：圭兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文背景及主要意义 随着通信技术及微机的广泛应用，接口技术已成为十分重要的技术。由于各 种外设的工作原理、工作速度、信息格式、驱动方式差别很大，无法与c p u 直接 匹配，需要有个接口电路来充当它们和c p u 间的桥梁，通过该电路来完成信号的 交换、数据的缓冲、与c p u 联络等工作【i 】。比如源程序或原始数据可通过接口从输 入设备送入微机中，而运算结果可通过接口向输出设备送出去；控制命令通过接 口发出去，现场状态通过接口取进来，这些来往信息都要通过接口进行变换与传 递。近几年来，接口技术已经得到了很大的发展，微机接口本身已不是一些逻辑 电路的简单组合，而是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部世界进 行最佳祸合与匹配，以在c p u 与外部世界之间实现高效、可靠的信息交换的一门 技术。目前，接口技术已发展成为硬件和软件相结合的综合性技术f 2 】。 与微机所连接的设备有并行设备，也有串行设备，因此接口也相应地分为并 行接口和串行接口。并行接口主要应用于c p u 与外设之间并行数据的接收发送。 它适合于外部设备与微机之间近距离、大量和快速的信息交换。我们知道c p u 只 能接收和发送并行数据，那么对于和只能接收和发送串行数据的外设通信，就需 要在c p u 和外部设备之间有一个能将c p u 发送的并行数据转化为串行数据以发送 给外部设备和将接收到外部设备发送来的串行数据转换为并行数据送给c p u 的接 口，这种接口主要起到并行和串行间的格式转换功能，也就是串行接口。从接口 的功用可以看出，选择哪种接口类型最主要是由外设来决定的。对于远距离传送， 或者与串行外部设备如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘进行等通信，一般采用 串行接口。在实时控制和管理方面，采用多台微处理机组成的分级分布控制系统 中，各c p u 之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的 接口【3 】。 本论文所进行研究设计的通用异步接收发送器u a r t 就是一种常用的串行接 口，近年来得到了很大的发展，其速度越来越快、集成度越来越高、价格越来越 便宜。u u 玎，可以用于调制解调器m o d e m 、手持工业设备、条形码阅读器、测 试设备、消费产品与计算机p c 、微处理器芯片以及小型通信网络之间的通信。由 于通用异步接收发送器性能的不断提高，处理器花在串行通信上的系统开销大大 减少1 4 。在嵌入式微处理器芯片的设计中，基于u a r t 实现的异步串行通信接口已 成为不可缺少的一部分，它的性能优劣将直接影响相应电子系统得性能和指标。 2 通用异步接收发送器的设计 基于上述考虑，我们着手设计了种通用异步接收发送器。 1 2 主要设计方法 最近几年，现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，简称f p g a ) 技术得到了迅速的发展和广泛的应用。与其他可编程器件相比，f p g a 中的寄存器 资源比较丰富，尤其适合同步时序电路较多的数字系统。本论文所设计的u a r t 就 是基于f p g a 的设计。下面简要介绍设计过程及所使用的设计方法。 1 2 1f p g a 设计流程 一个完整的f p g a 设计流程包括：电路设计与输入、功能仿真、综合、综合 后仿真、布局布线、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤研。其 流程如图1 1 所示。 图1 1f p g a 设计流程图 第一章绪论3 1 电路设计与输入 电路设计中常用的输入方法有硬件描述语言( h a r d w a r ed e s i g nl a n g u a g e ) 和 原理图设计两种。在进行大型工程设计时，常用h d l 设计输入法，其中应用最 为广泛的是v h d l 和v e r i l o gh d l 。 本论文全部采用v e r i l o gh d l 设计输入法。 2 功能仿真 功能仿真的主要目的在于验证语言设计的电路结构和功能是否和设计意图相 符，一般在电路设计输入完成后进行，功能仿真有时也被称为前仿真。由于仿真 过程不涉及任何具体器件的硬件特性，是理想情况，因而可以达到任何时序要求。 通过仿真能及时发现设计中的错误，加快设计进度，提高设计的可靠性。 本设计采用的仿真工具是m o d et e e h 公司的m o d e l s i m 。 3 综合优化 综合优化( s y n t h e s i z e ) 是指将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、 或、非门，r a m ，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标 与要求( 约束条件) 优化所生成的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等标准格式的网表 文件，供f p g a 厂家的布局布线器进行实现。 本设计采用的综合优化工具是s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f y 和a l t e r a 公司的 q u a r t u s i i 内嵌的综合工具。 4 综合后仿真 综合完成后需要检查综合结果是否与原设计一致，做综合后仿真。在仿真前， 把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影 响。综合后仿真虽然比功能仿真精确些，但是只能估计门延时，不能估计线延时， 仿真结果与布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。 5 实现与布局布线 实现是指使用f p g a 厂商提供的软件工具，根据所选芯片的型号，将综合输 出的逻辑网表适配到具体f p g a 器件上。在实现过程中最主要的过程是布局布线 ( p a r ，p l a c e a n dr o u t e ) 。为了获得更好的实现结果，特别是保证能够满足设计 的时序条件，一般采用时序驱动的引擎进行布局布线。对于不同的设计输入，特 别是不同的时序约束，获得的布局布线结果一般有较大差异。用户可以通过设置 参数指定布局布线的优化准则，总的来说优化目标有两个方面：面积和速度。根 据设计的主要矛盾，选择面积或者速度或者平衡两者等优化目标，但是当两者冲 突时，一般满足时序约束要求更重要些，此时选择速度或时序优化目标效果更佳。 6 时序仿真与验证 将布局布线的时延信息反标注到设计网表中，所进行的仿真就叫时序仿真或 布局布线后仿真，简称后仿真。布局布线之后生成的仿真时延文件包含的时延信 4 通用异步接收发送器的设计 息最全，包含门延时和实际布线延时，所以布线后仿真最准确，能较好地反映芯 片的实际工作情况。布局布线后仿真的目的在于发现时序违规( t i m i n gv i o l a t i o n ) ， 即不满足时序约束条件或者器件固有时序规则( 建立时间、保持时间等) 的情况。 为了保证设计的可靠性，在时序仿真后可以做一些验证，比如静态时序分析 ( s t a ，s t a t i ct m a i n ga n a l y z e r ) 。静态时序分析s t a 是相对于动态时序仿真”两 言的。由于动态的时序仿真占用的时间非常长，效率低下，因此s t a 成为最常用 的分析、调试时序性能的方法和工具。通过分析每个时序路径的延时，可以计算 出设计的最高频率，发现时序违规( t t m i n gv i o l a t i o n ) 。需要明确的是，和动态的 时序仿真不同，s t a 的目的仅仅聚焦于时序性能的分析，并不涉及设计的逻辑功 能，设计的逻辑功能仍然需要通过仿真或其它手段验i 正r 6 j 。 本设计对u a r t 进行了三种不同层次的仿真验证，在设计的后端采用 q u a r t u s i i 内嵌静态时穿分析的工具进行了时序分析。 7 调试与加载配置 设计开发的最后步骤就是在线调试或者将生成的配置文件写入芯片中进行测 试。 1 2 2v e r i l o gh d l v e r i l o gh d l 是一种应用广泛的i e e e 标准硬件描述语言。它用软件编程的方式 来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比， 它更适合大规模系统的设计。它支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描 述，包括系统级、算法级、寄存器传输级和逻辑门级、开关电路级多个设计层次， 现分别给以简述。 系统级：用语言提供的高级结构能够实现所设计模块的外部性能的模型。 算法级：用语言提供的高级结构能够实现算法运行的模型。 r t l 级；描述数据在寄存器之间的流动和如何处理、控制这些数据流动的模型。 门级：描述逻辑门以及逻辑门之间连接的模型。 开关级：描述器件中三极管和存储节点以及它们之间连接的模型。 v e r i l o gh d l 的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工 作重心提高到了系统功能的实现与调试。只需花较少的精力用于物理实现川。其特 点在于：能形式化地抽象表示电路的行为和结构；支持逻辑设计中层次与范围的 描述；可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述；具有电路仿真与验证 机制以保证设计的正确性；支持电路插述由高层到底层的综合转换；硬件描述与 实现工艺无关( 有关工艺参数可通过语言提供的属性包括进去) ；便于文档管理； v e r i l o gh d l 是一个标准语言，为众多的e d a 厂商支持，移植性好。此外，v e r i l o g 第一章绪论 h d l 与c 语言有类似的过程和结构，灵活且方便，比较容易掌握。 1 2 3 自顶向下( t o p _ d o w n ) 设计方法 运用v e r i l o gh d l 进行系统设计时，需要采用层次化、结构化的设计方法。 一个完整的硬件设计任务首先由总设计师划分为若干个可操作的模块，编制 出相应的模型( 行为级或结构级) ，通过仿真加以验证后，再把这些模块分配 给下一层的设计师，这就允许多个设计者同时设计一个硬件系统中的不同模 块，其中每个设计者负责自己所承担的部分；而由上一层设计师用行为级上 层模块对其下层设计者完成的设计进行验证。这种自上而下的设计方法就称 为t o p设计方法f8】。其关系如图12所示，以设计树的形式绘出。down t o p设计就是从系统级开始，把系统划分为基本单元，然后再把每down 个基本单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接用 e d a 元件库中的元件来实现为止。 图1 2t o p _ d o w n 设计示意图 本论文对u a r t 的设计，就是采用t o pd o w n 的设计方法，按照系统的 功能特性，对系统进行模块划分，分别设计。各个模块之间可以相互引用， 最后用一个顶层模块将次顶层的模块组合起来，形成一个完整的u a r t 系统。 具体设计见第三章内容。 1 3 论文主要工作及安排 本课题采用“t o p - d o w n 自顶而下的正向设计路线，根据串口通信协议和异步 收发的要求，利用v e r i l o gh d l 技术实现了异步接收发送的性能，主要工作有： 6 通用异步接收发送器的设计 ( 1 ) 熟悉u a r t 的串口通信协议。了解串口通信的格式、接收发送数据的过程 以及中断控制等。 ( 2 ) 完成通用异步接收发送器的接收器、发送器、同步f i f o 、波特率发生器的 设计及优化。本设计全部采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言描述。 ( 3 ) 完成u a r t 的仿真验证、逻辑综合、布局布线和后仿真。 本文结构安排如下； 第一章介绍了课题提出的背景及意义，介绍了所采用的设计技术，以及对本 论文的主要工作和结构安排做了介绍。 第二章阐述了u a r t 的通信理论基础，即串行通信协议。主要介绍了串行通信 基本概念及异步通信r s 2 3 2 接口标准。包括调制解调原理、基本通信方式、同步 与异步通信的特点以及通信过程。 第三章主要介绍u a r t 的原理及u a r t 的设计。首先介绍了u a r t 的基本原理 及设计要求，并对系统按功能进行模块划分。其次，介绍了所设计的u a r t 的内部 基本构造。最后，详细介绍了u u 汀各个子模块的设计。 第四章给出了u a r t 的综合优化、仿真验证以及母片的选定和性能分析。仿真 和综合结果表明此u a r t 的功能符合设计要求，能够正确的收发数据。 第五章结束语，总结了本课题取得的成果和本文的不足之处。 第二章串行通信协议7 第二章串行通信协议 串行传输方式是与串行接口相对应的通信方式。串行传输方式在每一个时间 单位传输一位信息( 即每位都占据固定长度的时间间隔) ，信息的所有位按顺序一 位一位传送。串行传输有时也称为串行通信，由于使用的传输线少，所以成本低， 适合于远距离传输【9 1 。下面介绍串行通信的基本概念及接口标准。 2 1 串行通信基本概念 本小节就u a r t 设计中所涉及到的较为重要的串行通信的概念作详细的介 绍。 2 1 1 调制与解调 计算机通信时发送接收的信息均是数字信号，其占用的频带很宽，而在进行 远程数据通信时，通信线路往往是借用现成的公用电话网，但是，电话网是为3 0 0 3 4 0 0 h z 间的音频模拟信号设计的，频带宽度有限，这对二进制数据的传输会引起 高次谐波的严重衰减，致使二进制数据信号严重失真，为此在发送时需要对二进 制信号进行调制，使其成为适合在电话网上传输的音频信号。在接收时，需要进 行解调将音频信号还原成数字信号。 采用调制器( m o d u l a t o r ) 把数字信号转换为模拟信号，送到通信链路上去， 而用解调器( d e m o d u l a t o r ) 再把从通信链路上收到的模拟信号转换成数字信号。 大多数情况下，通信是双向的，调制器和解调器合在一个装置中，这就是调制解 调器( m o d e m ) 。 信号的调制方法主要有3 种：调频、调幅和调相。当调制信号为数字信号时， 这三种调制方法又分别称为频移键控法f s k ( 丘e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 、幅移键控法 a s k ( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 和相移键控法p s k ( p h a s es h i f tk e y i n g ) 。 调频就是把数字信号的1 和o ”调制成不同频率的模拟信号，例如用1 2 0 0 i - 1 7 的信号表示o ”，用2 4 0 0 h z 的信号表示“1 ”。接收方根据载波信号的频率就可知道 传输的信息是“1 ”还是“o 。 调幅就是把数字信号的“1 ”和“o 调制成不同幅度的模拟信号，但频率保持不 变。例如载波信号的幅度大于g v 时表示“0 ”，载波信号的幅度小于3 v 时表示“1 ”。 调相就是把数字信号的“1 ”和“o ，调制成不同相位的模拟信号，但频率和幅度 均保持不变。例如载波信号的相位为0 度时表示“0 ”，载波信号的相位为1 8 0 度时 通用异步接收发送器的设计 表示1d 1 0 1 。 2 i 2 通信方式 串行通信中，数据通常是在两个站( 如终端和微机) 之间进行传送，按照数 据流的方向可分成三种基本的传送模式，这就是单工传送、半双工传送和全双工 传送。图2 1 表示出三种不同传送方式的数据通路。 单工传送只支持在一个方向上的数据传送。即由设备a 传送到设备b ，在这 种传送模式中，设备a 只作为发送器，设备b 只作为接收器。这种方式在实际应 用中较少见。 半双工传送方式支持在设备a 与设备b 之间交替地传送数据。因为设备a 、 设备b 之间仅有根数据传送线，因此发送信息和接收信息不能同时进行，只能 采用分时使用线路的方法，如在设备a 发送信息时，设备b 只能接收；而当设备 b 发送信息时，则设备a 只能接收。 全双工传送支持数据在两个方向同时传送。即有两条通路，发送信息和接收 信息可以同时进行。设备a 可发送信息到设备b ，而设备b 也能够同时利用另一 条通路发送信息到设备a t l 0 1 。 囤瑁圜三 圆圈蠕 ( a ) l i a r 2 1 3 同步通信和异步通信 獭半双工( c ) 全双工 图2 1 串行通信工作方式 在接收端使得数据位与时钟脉冲在频率和相位上保持一致的机制称为同步， 实现这种同步的技术称同步方式。根据在接收端获取同步信号的方法不同，同步 方式可分为字符同步方式和位同步方式，也称为异步传输方式和同步传输方式。 此外，接收方还要确定一个信息组的开始和结束。为此，串行通信对传送数据的 格式作了严格的规定。不同的串行通信方式具有不同的数据格式。 1 同步通信 同步通信即位同步方式，指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信 号频率和相位始终保持一致( 同步) ，这就保证了通信双方在发送和接收数据时具 有完全致的定时关系。 同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为信息帧，每帧的开始用同步字 符来指示。由于发送和接收的双方采用同一时钟，所以在传送数据的同时还要传 第二章串行通信协议9 送时钟信号，以便接收方可以用时钟信号来确定每个信息位。 实现发送端和接收端的统一时钟有两种方法，一是在发送端、接收端增设一 时钟信号线，但这不现实，且易受噪声干扰；另一是采用“曼彻斯特编码”将要发 送的信息，形成含有时钟同步的数据信息流。 同步串行通信数据传输格式有许多种。图2 2 表示了常见的几种数据格式， 图中除数据部分的长度可变外，其他均为8 位。图2 2 ( a ) 为单同步格式，发送一 帧数据仅使用一个同步字符。当接收端接收到并识别出一个完整同步字符后，就 连续接收数据。一帧数据结束，进行c r c 校验。图2 2 ( b ) 为双同步格式，这时利 用两个同步字符进行同步。图2 2 ( c ) 则是一种外同步方式所采用的数据格式。对 这种方式，在发送的一帧数据中不包含同步字符。同步信号s y n c 通过专门的控 制线加到串行的接口上。当s y n c 一到达，表明数据部分开始，接口就连续接收 数据和c r c 校验码。图2 2 ( d ) 为同步数据链路控带i ( s d l c ) 规程所规定的数据格 式。图2 2 ( e ) 称为高级数据链路控$ i j ( h d l c ) 规程所规定的数据格式。c r c ( c y e l i e r e d u n d a n c yc h e c k s ) 的意思是循环冗余校验码。它用于检验在传输过程中是否出现 错误，是保证传输可靠性的重要手段之一。 l标志符地址将控制符 i 0 1 1 1 1 1 l os 泣3 垃 图2 2 常见的几种同步通信格式 同步通信要求在传输线路上始终保持连续的字符位流，若计算机没有数据传 输，则线路上要用专用的“空闲”字符或同步字符填充。同步通信传送信息的位数 几乎不受限制，通常一次通信传的数据有几十到几千个字节，通信效率较高。但 它要求在通信中保持精确的同步时钟，所以其发送器和接收器比较复杂，成本也 较高，一般用于传送速率要求较高的场合i l ”。 2 异步通信 异步通信即字符同步方式，是指串行通信中接收、发送不使用统一参考时钟， 收发双方取得同步的方法是采用固定的串行数据格式。传输时，以传送一个字符 为基本周期，一个字符接一个字符的传输，两个字符之间的时间间隔是不固定的， 而在一个字符内各位的时间间隔是固定的【1 2 】。 1 0 通用异步接收发送器的设计 ( 1 ) 异步串行数据格式 异步通信规定字符由起始位( s t a r tb i t ) ，数据位( d a t ab i t ) ，奇偶校验位( p a r i t yb i t ) 和停止位( s t o pb i t ) 组成。起始位表示一个字符的开始，接收方可用起始位使自己 的接收时钟与数据同步。停止位则表示一个字符的结束。这种用起始位开始，停 止位结束所构成的一串信息称为帧【”1 ( 劬m e ) ( 注意：异步通信中的“帧”与同步通 信中“帧”是不同的，异步通信中的”帧”只包含一个字符，而同步通信中“帧”可包 含几十个到上千个字符) 。在传送一个字符时，由一位低电平的起始位开始，接着 传送数据位，数据位的位数为5 到8 位。在传输时，按低位在前，高位在后的顺 序传送。奇偶校验位用于检验数据传送的正确性，也可以没有，由程序来指定。 最后传送的是高电平的停止位，停止位可以是1 位，1 5 位或2 位。停止位结束到 下一个字符的起始位之间的空闲位要由高电平来填充( 只要不发送下一个字符， 线路上就始终为空闲位) 。传送开始之前，收发双方必须把所采用的起止式格式( 包 括字符的数据位长度，停止位位数，有无校验位以及是奇校验还是偶校验等) 和 数据传输速率作统一一致的约定。 异步通信中典型的帧格式是：1 位起始位，7 位( 或8 位) 数据位，1 位奇偶 校验位，l 位停止位【1 4 1 ，如图2 3 中所示。这种格式若从字符数字流看去，字符 之间的传送是异步的随机的，而对字符传送的内部是靠起始位和停止位来实现字 符的界定或同步的。 莽瓠一l 巾黼 鸯佣 控骏 ，j 、- 、 概倚辫位下降边衢班下 数据亩鼍l 句 “中荷的舞娥 图2 3 异步串行通信数据格式 ( 2 ) 起始位和停止位的作用 实际上，起始位是作为同步信号而附加进来的，当它变为低电平时，告诉接 收方传送开始，准备接收数据位。而停止位为高电平，标志一个字符的结束。这 样就为通信双方提供了何时开始收发，何时结束的标志。 由于异步通信每传送一个字符，就用起始位来重新同步，所以接收端的同步 时钟信号并不需要严格地与发送方同步，只要它们在一个字符的传输时间范围内 能保持同步即可，这意味着异步时钟信号漂移的要求要比同步信号低得多，硬件 成本也要低的多。虽然异步传送一个字符，要增加大约2 0 的附加信息位，传送 效率比较低。但是异步通信方式简单可靠，也容易实现，所以广泛地应用于各种 第二章申行通信协议 微型机系统中。 ( 3 ) 奇偶校验位的作用 数字通信中一项很重要的技术是差错控制技术，包括对传送的数据自动地进 行校验，并在检测出错误时自动校正。对远距离的串行通信，由于信号畸变，线 路干扰以及设备质量等问题有可能会出现传输错误，此时就要求能够自动检测和 纠正。目前常用的校验方法有奇偶校验码，循环冗余码等。 一般采用相对简单的奇偶校验方法。选择奇( 或偶) 校验方式，发送时，在 每个字符编码的后边增加一个奇偶校验位使整个编码( 字符编码加上奇偶校验位) 中”1 ”的个数为奇数( 或偶数) 。接收设备在接收时，检查整个字符编码，看”1 ”的 个数是否符合事先的规定，如果出错，则置错误标志。 奇偶校验只能检查出所传输字符的一位错误，对两位以上同时出错就检查不 出来。在实际的传送过程中，一位错误的概率在差错中的比例是最大的，同时奇 偶校验又比较容易实现，因此，奇偶校验在实际应用中仍非常广泛l ”】。 ( 4 ) 接收同步问题 前面讨论过，使用起始位的目的是为了使接收器和发送器在每个数据帧的起 始位置同步，这在接收器和发送器的数据传输速率相同时，理论上讲接收器对输 入数据进行采样的采样位置是不重要的，但实际上还存在许多问题，所以我们需 要探讨下当波特率不同时对接收有什么影响。 措谩：在一个b i t 期i 司采样两；灾 图2 4 具有不同采样点的两个接收器的数据采样 以图2 4 为例说明采样点位置不同时，对接收的影响。图中接收器的采样时 钟以指向方波的箭头表示，箭头所指向的就是接收器的实际数据采样点。假设有 a 、b 两个接收器，工作的波特率相同，比输入数据的频率略高些，只是接收器a 检测起始位相对接收器b 要早些。因为接收器的波特率要比输入数据的频率略高 些，所以接收器a 采样的数据位更靠近前一个数据位的后沿。随着采样点的继续， 接收器的采样点逐步提前，这种逐步积累使得在第四个数据位期间实际采样了两 次。采样将继续下去直到采样到停止位( s t o p ) ，而该停止位由于采样点“漂移”， 1 2 通用异步接收发送器的设计 实际上正好是输入数据的第八位。很显然接收器a 接收的是一个错误的字节 ( 0 1 1 0 0 1 0 1 ) ，但没有产生帧错误。而接收器b 恰好从输入数据位的中点开始采 样，由于有足够的空间让其漂移，接收器b 采样到整个正确的数据位。 如果说从输入数据的较迟位置开始采样能够避免采样点漂移的话，自然会推 想在尽可能迟的位置，但只适用于接收频率较高的情况。当接收频率较低时，就 会有相反的结果。显然，接收器在靠近起始位( s t a r t ) 的中心处开始采样，可 使u a r t 有较大的承受力。 为了提高保证采样的正确性，采用两个独立的时钟。我们把主时钟和波特率 时钟( 数据接收发送的频率) 的比称为时钟因子，时钟因子的标准值为1 6 。较高 的主时钟频率可以改进检测起始位( s t a r t ) 的方式。 以主时钟频率对输入信道采样，当检测到起始位的下降沿时，起始位检测器 等待8 个主时钟周期( 加起来正好是半个比特时间) ，然后开始从输入信道上读取 数据位，同时对输入的采样变为一个比特时问一次( 即以波特率时钟频率采样) 。 接收器可以有效地、完善的与输入数据达到同步。 在理想情况下，在s t a r t 位的开始时刻以主时钟频率对数据信道采样，u a r t 的起始数据采样位置位于真正的中心；最坏的情况，在s t a r t 位开始一个主时 钟周期以后以主时钟频率对数据信道采样，在s t a r t 位的中心偏后一个b i t 时 间的1 1 6 处达到同步。这意味着当接收器的波特率频率比发送器低时，接收器积 累的“向后”漂移在一个数据帧( 一位停止位、八数据位、一位校验位、一个停止 位) 中可达到一个比特时间的1 1 1 6 ；而当接收器的波特率比较高时，接收器积累 的“向前”漂移在一个数据帧中可达到一个比特时间的9 1 6 。对一个新的数据采样 重新同步，所以不会影响下一个数据的接收。时钟因子1 6 提供了较好的波特率误 差裕度。但是并不是时钟因子越高越好。事实上，较高的时钟因子迫使u a r t 和 波特率电路工作在较高的频率，其结果对误差裕度的改善效果甚微，权衡之下一 般取1 6 1 0 1 。 这样接收过程为；没有数据传输时，串行传输线维持高电位状态。一旦发现 串行线由高变低，接收器就认为是个起始位，启动内部电路对数据流进行采样( 1 6 倍的波特率) ，如果连续八次采样都是低电平，则认为是个正确的起始位( 第八次 采样时，正好位于起始位中心) ，开始接收数据位。这样每隔一个波特率时钟， 就在数据的中心采样一次，低位在前，高位在后。数据位之后是奇偶校验位，用 来判断接收的数据位有无错误，可以选择是奇校验、偶校验或无校验位。最后是 停止位，一般为高电平，表示一帧的结束【l6 】。 第二章串行通信协议 2 2 串行通信的接口标准 在计算机串行接口与调制解调器之间的数字通信一般按r s - 2 3 2 接口标准进 行。r s - 2 3 2 是美国电子工业协会e i a 制定的在数据终端设备( d t e ) 和数据通信 设备( d c e ) 之间交换串行二进制数据的接口标准。该标准的内容包括d t e 与 d c e 之间信号的机械、电气、功能和规程等特性 1 1 1 【m 。 2 2 1 功能特性 r s 2 3 2 c 定义了数据终端( 如计算机) 与数据装置( 如m o d e m ，也可以是另 一计算机) 之间的接口规范，它实际上是一个2 5 根引脚的d 型连接器，下表2 1 为引脚定义。 表2 1r s 2 3 2 - c 接口信号定义 引脚号 信号名称说明引脚号 信号名称 说明 la a 保护地 1 4s b a 第二发送数据 2b a 发送数据t x d 1 5d b 发送定时( d e c 源) 3b b接收数据r x d1 6s b b第二接收数据 4c a 请求发送r t s 1 7d d 接收定时( d e c 源) 5 c b 清除发送c t s 1 8l l 本地环回l o o p 6c c 数据装置就绪d s r 1 9s c a第二请求发送 7a b 信号地s g 2 0c d 数据终端就绪d t r 8c f 载波信号检测d c d2 1 c g 信号质量检测 9备用测试 2 2c e 呼叫指示砌 l o备用 测试 2 3c h c l 数码速率选择 】1 未定义 2 4d a 外部发送定时 1 2s c f 第二接收信号检测 2 5t m 澳4 试模式 1 3s c b第二清除发送 表2 1 中列出的2 5 种信号中，最基本最常用的信号有： 1 信号地线s g ( s i g n a lg r o u n d ) ，发送数据和接收数据线的公用地线。 2 请求发送r t s ( r e q u e s tt os e n d ) ，d t e 请示切换到发送方式。用于询问d c e 是否做好了接收准备，d c e 需用c t s 信号予以回答。( d t e d c e ) 3 。清除发送c t s ( c l e a rt os e n d ) ，当d t e 发出r t s 信号后，若d c e 完成线 路切换，准备好接收时，d c e 以此信号作为应答。( d t e d c e ) 其中，r t s c t s 请求应答方式的联络信号用于发送方式和接受方式之间切换 的半双- rm o d e m 系统。当d t e 要求或正在发送数据期间，r t s 引脚必须保持“通” 状态。仅当发送数据完毕时，使该引脚为“断”状态，控制m o d e m 为非发送方式。 c t s 被作为d c e 的接收方式就绪信号。在全双工系统中，因配置双向通道，故 无需r t s c t s 握手信号，因此在全双工系统中，r t s 引脚持续为高电平或将其短 1 4通用异步接收发送器的设计 接到载波检测端。 4 数据设备就绪d s r ( d a t as e tr e a d y ) ，该信号表明d c e 是否完成操作准备。 当d c e 已和通信线路接通时，d s r 变为“通”状态，意味着d t e 可通过d c e 和 远程终端交换控制信号，并进一步交换数据。( d ，r e d c e ) 5 数据终端就绪d t r ( d a t at e r m i n a lr e a d y ) ，表明d t e 已做好操作准备，允 许d c e 与通信线路接通。一旦该电路处于“断”状态，d c e 必须和通信线路断开。 ( d t e + d c e ) 6 载波信号检测d c d ( c a r r i e rd e t e c t ) ，又称接收线路信号检测。当数据通 信设备( d c e ) 检测到电话线路上有数据载波，就以此信号通知数据终端( d t e ) 。 ( d t e + 一d c e ) 7 发送信号t x d ( t r a n s m i td a t a ) ，通过该引脚输出的d t e 发送数据传送到 m o d e m 。在不发送数据和字符间隔期间，此信号为高电平。( d t e d c e ) 8 接收信号r x d ( r e e e i v ed a t a ) ，该引脚接收远程终端发送的由m o d e m 解调 的信号。( d t e d c e ) 9 振铃指示r i ( r i n g ) 。通信线上出现振铃期间，该信号有效。在振铃间隔 内，m 信号无效。( d t e , - - - d c e ) 2 2 2 通信过程 在近距离的计算机通信中，两台计算机可通过r s 2 3 2 c 接口直接用直线连 接，而不通过传输器和电话网络，