（计算机科学与技术专业论文）mpc8247以太网和串口驱动的移植与优化.pdf

北京邮电大学硕士毕业生论文m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或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， 本人签名： 本人承担一切相关责任。 日期：五碰必磁一一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：2 翌丝2 ：冱 日期：舾& ，迸 2 北京邮电大学硕士毕业生论文 m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 摘要 鉴于用户需求的逐步提升，以及市场的不断竞争，北京万林克公 司及时应对和调整，在不断改进和提升硬件平台功能和性能的同时， 也在对路由器产品的软件架构进行不断的改进，以最大程度的发挥产 品性能。 本课题研究内容主要针对万林克公司现有路由器软件平台以太网 接口和串口，重新设计软件系统架构的同时，提出了性能提升的优化 解决方案。在保持原有硬件平台的基础上，通过优化系统软件特别是 驱动程序的结构和工作流程，最大可能地提升系统软件工作的效率， 提高网络接口层的数据转发能力，尽最大可能地发挥硬件功效，最终 提升产品性能。 本论文首先介绍以太网和串口技术的原理及应用，接着描述 f r e e s c a l e 公司系列通信处理器的体系结构，并结合对此的分析和研 究，描述了实现基于p o w e r p c 系列路由器主板驱动移植与优化的实 现细节，主要包括以太网驱动程序和串口驱动程序的设计和优化。 关键词：p o w e r p c ，以太网，串口，驱动，m p c 8 2 4 7 ，c p m 北京邮电大学硕士毕业生论文 a b s t r a c t m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 a st h ed e m a n d so ft h ec u s t o m e r si sg r o w i n gd a y b yd a y a n dt h ef i e r c e c o m p e t i t i o n o ft h e n e t w o r k i n ge q u i p m e n tm a r k e t ，b e i ji n gv a n l i n k c o m m u n i c a t i o n & t e c h n o l o g yc o l t d ，h a sp e r s i s t e n t l yt r i e st h e i rb e s tt o m e e tt h ed e m a n d sb ya d v a n c i n gt h ep e r f o r m a n c ea n d f u n c t i o n a l i t yo ft h e h a r d w a r ea sw e l la si m p r o v i n gt h ea r c h i t e c t u r eo ft h es o f t w a r ef o rt h e r o u t e r t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e das o l u t i o nt oi m p o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e e t h e m e ti n t e r f a c ea n ds e r i a lp o r to nt h ev a n l i n kr o u t e r s b yo p t i m i z i n g t h es y s t e ms o f t w a r ee s p e c i a l l yt h ew o r k i n g s e q u e n c eo ft h ed r i v e r so nt h e e x i s t i n g h a r d w a r e p l a t f o r m ，e f f i c i e n c yo ft h eh a r d w a r eh a sb e e n m a x i m i z e d ，s ot h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sg a i n e da n dt h r o u g h p u ti s a d v a n c e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no ft h ee t h e r n e t a n dt h es e r i a l p o r t ，t h e nm a d ead e t a i l e de x p l a n a t i o nt ot h en e w l y d e s i g n e de t h e r n e td r i v e ra n ds e r i a lp o r td r i v e r , w h i c ha r eb a s e do l lt h e s t u d i e so ft h es t r u c t u r eo ft h ef r e e s c a l ec o m m u n i c a t i o n p r o c e s s o r k e y w o r d s ：p o w e r p c ，e t h e r n e t ，s e r i a lp o r t ，d r i v e r s ，m p c 8 2 4 7 ，c p m 4 北京邮电大学硕士毕业生论文 1 1 背景 m p c 8 2 4 7 以太网和串u 驱动的移植与优化 第一章绪论 现代社会正在进入一个信息时代，计算机网络技术推动了经济和文化的发 展。网络日益渗透到人们的日常工作和生活中，并在经济生活中担负起越来越重 要的作用。各国都把建设国家信息基础设施作为本国国策，积极发展和建设国家 经济信息网络。 近年来，我国计算机网络技术和应用发展迅速，各单位不断推进网络建设和 应用，扩大网络规模，提高网络质量。具体对网络设备而言，各单位不仅要求设 备能够正常稳定工作，而且要求设备能够满足高负载，大流量的网络，这就对设 备生产厂商提出了更高的要求。设备生产商必须适应新形势、新环境，不断提升 自有产品的功能、性能以及稳定性，以满足不断增长的客户需求。 正是基于市场成长的客观现实，北京万林克公司为了满足客户需求，在改进 和提升硬件平台功能和性能的同时，坚持致力于对路由器产品的软件架构进行不 断的优化。 以太网接口是路由器上最常用的接e l 之一。其理论速度能够达到1 0 m b p s 或 1 0 0 m b p s ，新的技术如g i g a b i te t h e r n e t ，1 0 g b i te t h e m e t ，甚至能够以更高的理论 速率进行数据传输。但是如果路由器软件平台的处理能力较低，往往极大的限制 了通信接口的转发能力。以1 0 0 m b p s 以太网接口为例，在万林克公司现有路由 器r t 2 6 5 1 上的实现的性能就远低于物理接口的理论转发能力。 串口在万林克路由器上应用非常广泛。有异步串口和同步串口之分：异步串 口一般用于低速设备，对性能的要求不是很高；但同步串口一般要求2 m b p s ，而 接口的转发能力依然受限于路由器软件平台，性能远远达不到要求。 因此，如何在保留原有硬件平台的基础上，通过优化系统软件特别是驱动程 序的结构和工作流程的方式提升路由器产品的整体性能，成为急需解决的问题， 本论文正是致力于此。 1 2 论文前期准备 本人在北京万林克公司实习和从事科研开发工作的l j 期，参与了数个路由器 产品( 包括主板和路由器模块) 的研发和维护工作，并在某些产品的研发过程中 担当主要负责人，在知识和技术方面都有所积累。具体工作主要涉及驱动程序和 相关系统软件的编写和调试工作，具体包括： 北京邮电大学硕士毕业生论文m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 m p c 8 2 4 7 主板、m p c 8 8 5 a 主板、m p c 8 8 5 b 主板、m p c 8 6 0 主板f c c 、f e c 、 s c c 、s m c 相关驱动程序的移植和调试。 x r l 6 l 7 8 8 八异步路由器模块的移植和调试。 d s c c 4 四串口芯片的移植与维护。 d p 8 3 8 1 6 芯片的驱动编写。 本人在项目开始初期曾负责相关驱动程序的开发和维护工作，对驱动程序较 为熟悉，对原有架构的弊端与不足也有一定的理解，为本课题的开展奠定了坚实 的基础。 1 3 论文内容和成果 本课题内容就是在深入研究原有软件架构所存弊端的基础上，提出了新的软 件架构及性能改进方案，并加以实施，最终提升路由器性能。 目前所做工作已达到预期目标，该软件已经投入使用，并取得很好的运行效 果；本人在此课题中共编写及修改代码8 0 0 0 余行。 1 4 论文章节安排 本课题论文的主题部分由五个章节组成，具体如下： 第l 章，即本章，是本论文绪论部分。绪论部分对论文进行的背景、研究 的内容和成果，以及必要的前期准备等等。 第2 章， 简要介绍了相关技术，主要包括p o w e r p c 芯片的发展与应用、以 太网技术相关的标准与发展以及串口的相关技术与应用等。 第3 章，对本课题设计进行具体阐述。包括基于m p c 8 2 4 7 通信处理器的硬 件平台，r m o s 操作系统的改进，软件架构的设计，对上层协议 接口的设计。 第4 章，是对本科题设计实现的驱动程序的测试及改进。其中对以太网的 性能状况进行了重点测试，并对存在的问题及可能需要做的改进 进行了深入的思考。 第5 章，关于其他驱动模块的移植工作。包括一系列芯片的介绍及相关模 块的移植工作。 8 北京邮电大学硕士毕业生论文 2 1p o w e r p c 的发展 m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 第二章相关技术概述 p o w e r p c 处理器是摩托罗拉，i b m ，苹果电脑的合作结晶最初这颗处理器的目 标客户是苹果的m a c 机，而且该处理器还针对通信类以及电子消费类等一系列 光发的应用 自从p o w e r p c 处理器诞生以来，就在其应用的各个领域一直遭受激烈的竞争 不但在个人p c 市场中面对w i n t e l 的垄断，在通信领域里，也遇到了来自a r m 和 m i p s 处理器的强烈挑战不过在高端的游戏领域，p o w e r p c + c e l l 处理器取得了新 的成功尽管面对种种挑战，但是p o w e r p c 依然以其领先的技术取得持续发展 最近的十年中，p o w e r p c 取得了一个又一个新技术突破，铜介质，低介电绝缘电 介质，应变硅技术，绝缘体硅片，硅锗双极集成电路等一系列有关芯片制造的新工 艺不断应用到p o w c r p c 处理器中多核技术也早已在p o w e r p c 处理器中实 现p o w e r p c 主频和系统总线带宽也在不断提高p o w e r p c 的优点十分突出主要 体现在p o w c r p c 指令集，指令执行和处理器内核的设计 i b m 和f r e e s c a l e 的p o w c r p c 处理器的最大区别在于f r e e s c a l e 的p o w e r p c 处 理器中包含一个q u i c c 芯片f r e e s c a l e 也将包含q u i c c 芯片的p o w c r p c 称为 p o w c r q u i c c 这个系列的c p u 包含两个处理器芯片：p o w c r p cc o r n 和 c p m ( c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o rm o d u l e ) i b m 与f r e e s c a l e 半导体维护着各自的p o w e r p c 处理器的设计路线 其中，i b m 出售的p o w c r p c 处理器大致有以下几种： p o w e r p c6 0 0 系列：如p o w c r p c6 0 3 e ，6 0 4 e ，第一个6 4 位的p o w c r p c 处理 器p o w e r p c 6 2 0 等一系列处理器 p o w e r p c7 0 0 系列：如p o w e r p c7 5 0 ，它是世界上第一个使用铜介质的芯 片。还有p p c 7 5 0 f x , p p c 7 5 0 g x 不仅适用于p c 市场，也是高端消费类市 场的主角，许多高端打印机中使用这颗芯片 p o w c r p c9 0 0 系列：6 4 位处理器p o w e r p c9 7 0 。 p o w e r p c4 0 0 系列：这是一个非常被看好的p o w e r p c 处理器系列。这类 芯片集中体现了p o w c r p c 处理器灵活配置的特性当时这类芯片的设 计目标是从小型的应用系统到大规模的巨型机上如采用低端配置的 p p c 4 0 5 e p , 可以适合机顶盒，小型交换机的需求：而采用高端配置的p p c 4 4 0 g x ，可以适合高端路由器，复杂的3 g 系统到超大规模巨型机的应用 9 北京邮电大学硕上毕业生论文m p c 8 2 4 7 以太网和串u 驱动的移植与优化 f r e e , s c a l e 的p o w e r p c 处理器分为两类，一类用于汽车电子，如m p c 5 x x 系列，这类芯片主要用于汽车的主控系统：另一类用于通信领域用于通信 领域的p o w e r p c 处理器主要包括以下系列： 6 0 3 内核系列：如m p c 8 5 0 ，m p c 8 6 0 ，m p c 8 8 5 等这类芯片目前是 f r e e s c a l e 最低端的p o w e r p c 处理器，它没有包含s d r a m 接口，用户必须 使用m p c 8 6 0 中提供的u p m 接口配置s d r a m 接口其优点是价格低廉 适用于对性能要求不高的机器 6 0 3 e 内核系列包括m p c 8 2 5 0 ，m p c 8 2 4 7 ，m p c 8 2 6 0 ，m p c 8 2 7 2 等其中 主要的升级在于存储器管理单元m m u 上，此外m p c 8 2 x x 系列的处理器 包含了s d r a m 控制器，可以直接与s d r a m 芯片直接相连 e 3 0 0 内核系列包括m p c 8 3 4 9 ，m p c 8 3 4 7 ，m p c 8 3 6 0 等。e 3 0 0 系列与 6 0 3 e 系列结构基本一致，在处理器内核上修改不多f r e e s c a l e 的q e 首先 在m p c 8 3 6 0 芯片中实现，此外基于e 3 0 0 内核的处理器支持d d r s d 洲接口基于e 3 0 0 内核的处理器可以对基于6 0 3 e 内核的处理器进 行替换 e 5 0 0 内核系列包括m p c 8 5 4 0 ，m p c 8 5 6 0 ，m p c 8 5 4 8 等e 5 0 0 内核共有 两个版本，v l 和v 2 ，他们之间最大的区别在于m m u 基于e 5 0 0 内核的 p o w e r p c 处理器是f r e e s e a l e 高端处理器的发展方向，其内核结构与 6 0 3 e 内核有较大的不同，具体的说，这两类p o w e r p c 内核间只有指令系 统是兼容的，其他的内核组件都不相同基于e 5 0 0 内核的芯片支持d d r s d r a m ，r a p i d l o 以及千兆以太网等高速接口 g 4 ，e 6 0 0 内核系列包括m p c 7 4 1 0 ，m p c 7 4 4 7 ，m p c 7 4 4 8 ，m p c 8 6 4 1 等这 一系列芯片与i b m 的p o w e r p c 7 0 0 系列的最大不同在于g 4 系列支持 a l t i v e e 结构( 改结构中包含一组s i m d 指令) e 7 0 0 内核系列支持6 4 位的p o w e r p c 结构，正在实现中这类芯片的内 核基于b o o k e 的6 4 位实现，而e 5 0 0 内核则基于b o o k e 的3 2 位实现 最近，f r e e s e a l e 将c p m 升级为q e ( q u i c ce n g i n e ) ，q e 是p o w e r q u i c c 系列芯片十年以来推出的最重要的一个组件我们可以在基于e 3 0 0 内核的 m p c 8 3 6 0 ，m p c 8 3 2 3 这些处理器中发现q e 所提供的各种功能 v a n l i n k 系列路由器主要基于6 0 3 内核以及6 0 3 e 内核，这个系列芯片在通信 领域中应用广泛，是一颗用于控制层面的处理器 北京邮电大学硕士毕业生论文 2 2 以太网的发展与应用 2 2 1 以太网技术的发展 m p c 8 2 以太网和串口驱动的移植与优化 以太网标准是一个古老而又充满活力的标准。1 9 7 2 年，m e t c a l f e 博士在x e r o x 公司p a r c 研究中心试验了第一个2 9 4 m b i t s 以太网原型系统 ( a l t o a l o h a n e t w o r k ) 。该系统可以实现不同计算机系统之间的互连，并共享打 印机设备。1 9 7 3 年，m e t c a l f e 将自己的系统更名为以太网( e t h e m e t ) ，并指出该 系统的设计原理不局限于p a r c 的a l t o 计算机互连，也适用于其它计算机系统。 自此，以太网诞生了。 1 0 m b p s 以太网标准最早由d e c i n t e l x e r o x 三家公司联合发布，并以三家公 司名字的开头将标准命名为d i x 以太网标准【l 】。该标准规定了以太网的操作，并 定义了基于粗同轴电缆的以太网媒介。d i x 标准的最新版本是d i x2 0 。 i e e e8 0 2 3 委员会以d i x 标准为基础，在1 9 8 5 年正式发布了i e e e8 0 2 3 标 准【2 】。至此i e e e8 0 2 3 成为以太网技术的正式标准，任何技术如果没有被i e e e 8 0 2 3 标准容纳，都不能被称作标准的以太网。 在粗同轴电缆以太网被确立为标准后，i e e e8 0 2 3 委员会又将由3 c o m 公司 发布的细同轴电缆以太网确立为标准，并将之简称为1 0 b a s e 2 。在细同轴电缆 以太网技术之后，又分别出现了基于双绞线和光纤的1 0 m b p s 以太网技术。在这 之后，l o o m b p s 快速以太网技术( 光纤、双绞线) 也被作为补充标准加入了i e e e 以太网标准。i e e e 8 0 2 3 补充标准包括： 补充标准描述 8 0 2 3 a - 1 9 8 51 0 b a s e 2 细同轴电缆以太网 8 0 2 3 c 1 9 8 5 1 0 m b p s 以太网转发器定义，c l a s s9 8 0 2 3 d - 1 9 8 7f o i r l 光连接 8 0 2 3 i 19 9 01 0 b a s e - t 双绞线以太网 8 0 2 3 j - 19 9 3 1 0 b a s e f 光纤以太网 8 0 2 3 u 19 9 51 0 0 b a s e t 快速以太网和自协商 8 0 2 3 x 19 9 7全双工以太网标准 8 0 2 3 z 19 9 81 0 0 0 b a s e x 千兆以太网 8 0 2 3 a b 19 9 91 0 0 0 b a s e t 基于双绞线的千兆以太网 8 0 2 3 a c 19 9 8为支持v l a n 标签，最大帧长扩展为1 5 2 2 字节 8 0 2 3 a d 2 0 0 0链路聚合( l i n ka g g r e g a t i o n ) 标准 北京邮电大学硕上毕业生论文 2 2 2i e e e8 0 2 3 与i s o 参考模型的关系 m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 图2 1 为i e e e 8 0 2 3 的逻辑层次，及其与i s o 参考模型的对应关系。对i s o 参考模型的数据链路层，i e e e 8 0 2 3 有两个子层与之对应，它们是介质访问子层 ( m a c ) 和介质访问子层接口( m a c - - c l i e n t ) 。i e e e8 0 2 3 的物理层则与i s o 模型的物理层直接对应。如图2 1 所示： 应用层 表示层 对话层 传输层 网络层 链路层 物理层 上层协议 m a c c l i e n t m a c 物理层 图2 - 1 ：i e e e 8 0 2 3 与i s o 参考模型对比图 介质访问接口子层( m a c - - c l i e n t ) ，有以下两种类型： 如果节点是d t e ，则为逻辑链路控制( l l c ) 。这个子层为以太网介质访问 子层和高层协议提供相应的接口。l l c 子层标准由i e e e 8 0 2 2 标准定义。 如果节点是d c e ，则为网桥实体( b r i d g ee n t i t y ) 网桥的作用是把两个使用 相同协议的网络连接起来。网桥标准由i e e e8 0 2 1 标准定义。 由于l l c 和网桥的定义是i e e e8 0 2 局域网协议公用的，不同种类网络之间 的兼容性成为协议设计的主要任务。以图2 2 所示为以太网链接对介质访问子层 和物理层的兼容行要求。 北京邮电大学硕士毕业生论文m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 图2 - 2 ：以太网链路层兼容性需求 m a c 层用于控制网络节点对网络媒介的访问，不同的协议使用不同的m a c 协议。所有i e e e8 0 2 3 协议的m a c 层，不论是否包括特定的协议扩展，必须 满足相同的基本要求。i e e e8 0 2 3 要求两个进行通信节点问的m a c 层至少支持 相同的传输速率。 i e e e8 0 2 3 标准的物理层是与数据传输速率、信号编码、以及节点之间互联 所用的介质相关的。例如，千兆以太网可以工作于双绞线之上，也可以使用光纤 作为介质，但是两种千兆以太网由于使用使用的传输介质不同，以及相应的编码 方式不同，两者物理层实现也不相同。 2 2 3 以太网帧结构 i e e e8 0 2 3 标准对了基本的数据帧结构进行了定义，另外为了扩展协议的功 能，也定义了一些附加可选的帧格式。基本的数据帧格式包括7 个不同的域，如 下图2 3 所示： 北京邮电大学硕士毕业生论文m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 传钢耿厅：从丘到自，孜似甲仃传铆 l r j l 1 r 乙凶e r r o ro e t c c n o nc o v e r a g e f c sg e n e r a t i o ns p a n p r es f dd as a长度类型数据填充f c s 7166 44 j 一 ， f l p r e = p r e a m b l e s f d = s t a r t - o 仁f r a m ed e l i m i t e r d a = d e s t i n a t i o na d d r e s s s a = s o u r c ea d d r e s s f c s = f r a m ec h e c ks c o u o l l c e 图2 3 ：以太网基本帧结构 前导字节( p i 也) ：包括7 个字节。p r e 字段由一连串的二进制数0 和1 交 替构成，用于通知接受站数据帧到达，并为物理层接受数据帧提供同步机制。 帧开始字符( s o f ) ：包括1 个字节。s o f 字符是由以两个连续的l 结束的 二进制串0 和l ( o 和1 交替出现) 组成。s o f 字符之后紧跟的是目的m a c 地址。 目的m a c 地址( d a ) ：包括6 个字节。d a 域用于指定接受数据帧的设备 的地址。d a 域的最高有效位用于描述地址的类型。最高位为0 则d a 地址 为单播地址，最高位为l 则该地址为组播地址。次高位用于表示地址是全局 管理( 以二进制0 表示) 还是局部管理( 以二进制l 表示) 。 源m a c 地址( s a ) ：包括六个字节，用于表示数据帧得发送站。源地址二 进制最高位总位0 ，即原地址只能是单播地址。 长度类型：包括两个字节。该域可以用于表示存放于帧的数据区的m a c c l i e n t 数据的长度，也可以用于表示以太网帧的类型。如果长度类型域的值 小于或者等于1 5 0 0 ，则l c c 字节的数目等于长度类型域的值。否则，如 果长度类型域的值大于1 5 3 6 ，则以太网帧是附加类型帧，长度类型域得值 用于表示附加类型帧的具体类别。 数据：由长度小于1 5 0 0 字节的连续字节组成。如果数据域的长度小于4 6 字 节，则必须通过添加填充字节的方式，使数据域的长度达到4 6 字节。 帧校验( f c s ) ：包括四个字节。这四个字节是一个3 2 位的c r c 校验值。该 校验值由发送方的m a c 层计算产生，并由接受访从新计算以检查传输过程 中是否由错误发生。f c s 域由d a ，s a ，长度类型，以及数据域计算产生。 1 4 北京邮电大学硕士毕业生论文 2 3 串口的发展与应用 m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统中，经常采用串行通信 来交换数据和信息。1 9 6 9 年，美国电子工业协会( e i a ) 公布了r s 2 3 2 c 作为串 行通信接口的电气标准，该标准定义了数据终端设备( d t e ) 和数据通信设备 ( d c e ) 间按位串行传输的接口信息，合理安排了接口的电气信号和机械要求， 在世界范围内得到了广泛的应用。但它采用单端驱动非差分接收电路，因而存 在着传输距离不太远( 最大传输距离1 5 m ) 和传送速率不太高( 最大位速率为 2 0 k b s ) 的问题。远距离串行通信必须使用m o d e m ，增加了成本。在分布式控 制系统和工业局部网络中，传输距离常介于近距离( 2 k i n ) 之 间的情况，这时r s 2 3 2 c ( 2 5 脚连接器) 不能采用，用m o d e m 又不经济，因 而需要制定新的串行通信接口标准。 1 9 7 7 年e i a 制定了r s - 4 4 9 。它除了保留与r s 2 3 2 c 兼容的特点外，还 在提高传输速率，增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力，并增加 了1 0 个控制信号。与r s - 4 4 9 同时推出的还有r s 4 2 2 和r s 4 2 3 ，它们是 r s 4 4 9 的标准子集。另外，还有r s 4 8 5 ，它是r s 4 2 2 的变形。r s 一4 2 2 、 r s 4 2 3 是全双工的，而r s - 4 8 5 是半双工的。 r s - 4 2 2 标准规定采用平衡驱动差分接收电路，提高了数据传输速率( 最大 位速率为1 0 m b s ) ，增加了传输距离( 最大传输距离1 2 0 0 m ) 。 r s - 4 2 3 标准规定采用单端驱动差分接收电路，其电气性能与r s 2 3 2 c 几 乎相同，并设计成可连接r s 2 3 2 c 和r s 4 2 2 。它一端可与r s 4 2 2 连接，另 一端则可与r s 2 3 2 c 连接，提供了一种从旧技术到新技术过渡的手段。同时 又提高位速率( 最大为3 0 0 k b s ) 和传输距离( 最大为6 0 0 m ) 。 因i t s 4 8 5 为半双工的，当用于多站互连时可节省信号线，便于高速、远 距离传送。许多智能仪器设备均配有r s 4 8 5 总线接口，将它们联网也十分方 便。 串行通信由于接线少、成本低，在数据采集和控制系统中得到了广泛的应 用，产品也多种多样。 2 3 1 串行通信的几个标准 1 r s 2 3 2 c 串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在r s 2 3 2 标 准的基础上经过改进而形成的。所以，以r s 2 3 2 c 为主来讨论。r s 3 2 3 c 标准 是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发的1 9 6 9 年公布的通信协 北京邮电大学硕士毕业生论文 m p c 8 2 4 7 以太嘲和串1 7 1 驱动的移植与优化 议。它适合于数据传输速率在0 - - 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信。这个标准对串行通信 接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商 都生产与r s 2 3 2 c 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微 机通信接口中广泛采用。 r s 2 3 2 c 标准( 协议) 的全称是e i a r s 2 3 2 c 标准，其中e i a ( e l e c t r o n i c i n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 代表美国电子工业协会，r s ( e c o m m e d e ds t a n d a r d ) 代表推 荐标准，2 3 2 是标识号，c 代表r s 2 3 2 的最新一次修改( 1 9 6 9 ) ，在这之前，有 r s 2 3 2 b 、r s 2 3 2 a 。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。 常用物理标准还有有e i a & # o ；r s 2 3 2 c 、e i a & # 0 ；r s 4 2 2 a 、e i a & # 0 ；r s 4 2 3 a 、 e i a & # 0 ；r s 4 8 5 。 这里只介绍e i a & # o ；r s 2 3 2 c ( 简称2 3 2 ，r s 2 3 2 ) 。例如， 目前在i b mp c 机上的c o m l 、c o m 2 接口，就是r s 2 3 2 c 接口。 电气特性 e i a r s 2 3 2 c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 在t x d 和r x d 上：逻辑1 ( m a r k ) = - 3 v 一1 5 v 逻辑0 ( s p a c e ) - 叫- 3 一+ l5 v 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上： 信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v 一+ 1 5 v 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) = 3 v 一1 5 v m c l4 8 8 f f r l - r s 2 3 1 ) m c l4 8 9 ( r 8 2 3 2 1 曙u 1 4l 1 3 2 1 2 3 1 1 4 1 0 5 96 87 图2 4 ：逻辑电平的定义 连接器的机械特性： 连接器：由于r s 一2 3 2 c 并未定义连接器的物理特性，因此，出现了d b 2 5 、d b 一1 5 1 6 硌 ： h 扮 9 8 l 2 3 4 s 6 7 北京邮电大学硕士毕业生论文 m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 和d b 9 各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。分别如图2 5 所示： 接口信号 2 5 24嚣g 2 ，3 ，一 i d t l ：1 茁烈 2 lt x 囊 2 , - o d t r 飘x d 差9 建8 l o c i ) 薹7 薹6 1 5 薹4 图2 5 ：串口管脚定义 嗣溘 c t 8 l 订s d s r r s 2 3 2 c 规标准接口有2 5 条线，4 条数据线、1 l 条控制线、3 条定时线、7 条备用和未定义线，常用的只有9 根，主要有： ( 1 ) 联络控制信号线： 数据装置准备好( d a t as e tr e a d y - d s r ) 有效时( o n ) 状态，表明m o d e m 处于可以使用的状态。 数据终端准备好( d a t as e tr e a d y - d t r 卜_ 有效时( o n ) 状态，表明数据终 端可以使用。 这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效， 只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通 信要由下面的控制信号决定。 请求发送( r e q u e s tt os e n d r t s 卜用来表示d t e 请求d c e 发送数据，即当 终端要发送数据时，使该信号有效( o n 状态) ，向m o d e m 请求发送。它用来 控制m o d e m 是否要进入发送状态 允许发送( c l e a rt os e n d c t s ) 用来表示d c e 准备好接收d t e 发来的 数据，是对请求发送信号r t s 的响应信号。当m o d e m 已准备好接收终端传来 的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线t x d 发送 数据。 这对r t s c t s 请求应答联络信号是用于半双工m o d e m 系统中发送方式和 接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全 双工系统中，因配置双向通道，故不需要r t s c t s 联络信号，使其变高。 1 7 、o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o ”：n椭量乍盲一罨11一_1 一 ， 一瓣一一一雌 北京邮电大学硕十毕业生论文 m p c 8 2 4 7 以太网和串【j 驱动的移植与优化 接收线信号检盘( r e c e i v e dl i n ed e t e c t i o n r l s d 卜用来表示d c e 已接通通 信链路，告知d t e 准备接收数据。当本地的m o d e m 收到由通信链路另一端( 远 地) 的m o d e m 送来的载波信号时，使r l s d 信号有效，通知终端准备接收， 并且由m o d e m 将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线r x d 送到终端。此线也叫做数据载波检t b ( d a t ac a r r i e rd e c t e c t i o n d c d ) 线。 振铃指示( r i n g i n g - r i 卜当m o d e m 收到交换台送来的振铃呼叫信号时， 使该信号有效( o n 状态) ，通知终端，已被呼叫。 ( 2 ) 数据发送与接收线： 发送数据( t r a n s m i t t e dd a t a - t x d 卜通过t x d 终端将串行数据发送到 m o d e m ，( d t e - - - , d c e ) 。 接收数据( r e c e i v e dd a t a - r x d 卜通过r x d 线终端接收从m o d e m 发来的 串行数据，( d c e - - - * d t e ) 。 ( 3 ) 地线 有两根线s g 、p 旺信号地和保护地信号线，无方向。 上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例 如，只有当d s r 和d t r 都处于有效( o n ) 状态时，才能在d t e 和d c e 之间 进行传送操作。若d t e 要发送数据，则预先将d t r 线置成有效( o n ) 状态，等 c t s 线上收到有效( o 状态的回答后，才能在t x d 线上发送串行数据。这种顺 序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定d c e 已由 接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送。 2 个数据信号：发送d ；接收r x d 。 1 个信号地线：s g 。 6 个控制信号： d s r ：数传机( 即m o d e m ) 准备好，d a t as e tr e a d y d t r ：数据终端准备好，d a t at e r m i n a lr e a d y 。 r t s ：d t e 请求d c e 发送( r e q u e s t t os e n d ) 。 c t s ：d c e 允许d t e 发送( c l e a r t os e n d ) ，该信号是对r t s 信号的回答。 d c d ：数据载波检出，d a t ac a r t i e rd e t e c t i o n 当本地d c e 设备( m o d e m ) 收 到对方的d c e 设备送来的载波信号时，使d c d 有效，通知d t e 准 备接收，并且由d c e 将接收到的载波信号解调为数字信号，经r x d 线送给d t e 。 r i ：振铃信号r i n g i n g 当d c e 收到交换机送来的振铃呼叫信号时，使该信 号有效，通知d t e 已被呼叫。 2 r s 一2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 标准 北京邮电大学硕士毕业生论文m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业 协会( e 认) 制订并发布的，r s 2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e i a 2 3 2 e ，作 为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。r s - 4 2 2 由r s 2 3 2 发展而来， 它是为弥补r s 2 3 2 之不足而提出的。为改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低的缺 点，r s - 4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到1 0 m b s ，传输距 离延长到4 0 0 0 英尺( 速率低于10 0 k b s 时) ，并允许在一条平衡总线上连接最 多1 0 个接收器。 r s - 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 t i a e i a - 4 2 2 一a 标准。为扩展应用范围，e i a 又于1 9 8 3 年在r s 4 2 2 基础上 制定了r s 4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同 一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范 围，后命名为t w e i a 4 8 5 - a 标准。由于e i a 提出的建议标准都是以”r s ”作为 前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以r s 作前缀称谓。 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s - 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及 接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视 频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。 2 3 2 串行通信应用说明 1 串口通信基本接线方法 目前较为常用的串口有9 针串口( d b 9 ) 和2 5 针串口( d b 2 5 ) ，通信 距离较近时( 1 2 m ) ，可以用电缆线直接连接标准r s 2 3 2 端口( r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 较远) ，若距离较远，需附加调制解调器( m o d e m ) 。最为简单且常用的是三 线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连，本文只涉及到最为基本的接法， 且直接用r s 2 3 2 相连。 d b 9 和d b 2 5 的常用信号脚说明如图所示： 9 针串口( i ) b 9 )2 5 针串口( 1 】b 2 5 ) 针号功能说明缩写针号功能说明缩写 l数据载渡检测d c d8数据载波检测d c d 2接收数据l 【】c d3 接收数据 l i 】【d 3发送数据t x d2发送数据t x d 4数据终端准备d t r 2 0数据叁孥端准备jd t r 5信号地g 姗7 信号地g 耶i 6数据设备准备好d s r6数据准备好d s r 7请求发送r t s 4 请求发送 r t s j 8清除发送c t s5涪除接送c t s 9振铃指示d e l l2 2振铃指示d e l l ! 北京邮电大学硕士毕业生论文m p c 8 2 4 7 以太网和串口驱动的移植与优化 图2 - 6 ：d b 9 ，d b 2 5 常用信号比较 r s 2 3 2 c 串口通信接线方法( 三线制) 首先，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送数据针脚就能实现：同一个 串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或个串口和多个串口相连 同一个串口的接收脚和发送脚直接