数据通信及其协议.ppt

浅谈数据通信及其协议知识相关 前言 关于本课程的教学安排 发言人 李文礼2008年11月14日 1 数据通信的基本概念2 常用的串口通信总线 主要内容 主要内容 什么是 通信协议 数据通信协议Datacommunicationprotocol亦称数据通信控制协议 是为保证数据通信网中通信双方能有效 可靠通信而规定的一系列约定 这些约定包括数据的格式 顺序和速率 数据传输的确认或拒收 差错检测 重传控制和询问等操作 数据通信协议分两类 一类称为基本型通信控制协议 用于以字符为基本单位的数据传输 如BSC协议 二进制同步同步通信协议 另一类称为高级键路控制协议 用于以比特为基本单位的数据传输 如HDLC 高级数据键路控制协议 和SDLC 同步数据键路控制协议 数据通信的基本概念 单片机与外界外围电路 单片机与PC机所进行的数据交换 称为数据通信 理解协议的一个办法是把它看作一个标准或一组规则 人们在日常生活中经常会运用各种各样的协议 例如当电话铃一响时 接听者会拿起电话然后说一声 你好 在这一过程中 你好 便是一个协议 当建立协议后双方才开始进行正常通话 另外 当朋友见面时是否会相互拥抱 握手或亲吻 这都可以理解为一种协议 都需要由双方事先约定 数据通信的基本概念 通信方式 串行通信与并行通信 数据通信的基本方式可分为串行通信和并行通信两种 串行通信 数据在传输过程中仅通过一条传输线交换数据 数据的各位是按顺序依次一位接一位地进行传送 串行通信具有传输线少 占用引脚资源少 成木低等优点 缺点是速度慢 并行通信是指计算机与I O设备之间通过多条传输线交换数据 数据的各位同时进行传送 优点是传送速度快 缺点是需要同时链接的线数多 需要占用多个引脚资源 通信方式 同步通信与异步通信 所谓同步通信是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一致的定时关系 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 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 通信方式 同步通信与异步通信 异步通信是指通信中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 异步通信规定字符由起始位 startbit 数据位 databit 奇偶校验位 parity 和停止位 stopbit 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 frame 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 8 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 可由程序来指定 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 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 2位停止位 通信接口 一 I2C二 UART三 SPI四 RS232五 USB六 CAN 常用的通信接口 常用的通信接口 I2C Inter IntegratedCircuit 总线是由PHILIPS公司开发的一种用于芯片间通讯的串行传输总线 它由串行时钟线SCL和串行数据线SDA完成全双工数据传送 由于它具有连线少 允许多主机控制 具有总线仲裁和同步等特点 被广泛应用到各个领域 并已经成为一种世界性的工业标准 I2C总线 常用的通信接口 I2C总线 常用的通信接口 I2C总线主要的特点 总线驱动能力强 I2C总线外围扩展器件都是CMOS型的 功率极低 因而总线上扩展的节点数不是由电流负载能力决定的 而是由电容负载确定 通常I2C总线负载能力为400PF 据此可以计算出总线长度及所带器件的数量 总线上扩展的器件数量主要受器件地址的限制 2 任何一个I2C总线接口的外围器件 不论其功能差别有多大 都是通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL连接到I2C总线上 这一特点给用户设计应用系统时带了极大的方便 用户不必理解每个I2C总线接口器件的功能如何 只要将器件的SDA和SCL连接到I2C总线 然后对该器件模块进行独立的电路计 从而简化了系统设计的复杂性 提高系统的抗干扰能力 符合EMC ElectroMagneticCompatibility 设计原则 3 在单主系统中 每个I2C总线接口芯片具有唯一的器件地址 各器件间互不干扰 相互之间不能进行通信 MCU和I2C器件之间的通信是通过独一无二的器件地址来实现的 4 PHILIPS公司在推出I2C总线的同时制定了严格的规范 如接口的电器特征型号时序 信号传送的定义等 这就决定了I2C总线软件编写的一致性 I2C总线 常用的通信接口 I2C总线工作原理及总线的构成I2C总线数据传输时 在时钟高电平期间数据线上必须保持有稳定的逻辑电平状态 高电平为数据1 低电平为数据0 只有在时钟线为低电平时 才允许数据线的电平状态变化 起始信号 在时钟线保持高电平期间 数据线出现由高电平向低电平变化时启动I2C总线 为I2C总线的起始信号 终止信号 在时钟线保持高电平期间数据线上出现由低到高的电平变化时将停止I2C总线的数据传送 为I2C总线的终止信号 应答信号 I2C总线数据传送时 每传送一个字节数据后都必须有应答信号 应答信号在第九个时钟位上出现 接收器输出低电平为应答信号 输出高电平则为非应答信号 I2C总线 常用的通信接口 I2C总线 常用的通信接口 I2C总线 常用的通信接口 UART UniversalAsynchronousReceiver Transmitter 即通用异步收发器 广泛使用串行数据传输协议 UART通信原理 UART即通用异步收发器 是一种串行通信方式 它是一个串行全双工通信接口 即能同时发送和接收数据 它是接收缓冲的 表示在从接收寄存器读出先前接收到的字节之前 可以开始接收第二个字节 但如果第二个字节的接收完成时 第一个字节仍未被读出 那个字节之一将被丢失 UART串行接口 常用的通信接口 串行外围设备接口SPI serialperipheralinterface 总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口 它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息 外围设置FLASHRAM 网络控制器 LCD显示驱动器 A D转换器和MCU等 SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口 该接口一般使用4条线 串行时钟线 SCK 主机输入 从机输出数据线MISO 主机输出 从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线SS 有的SPI接口芯片带有中断信号线INT 有的SPI接口芯片没有主机输出 从机输人数据线MOSI 由于SPI系统总线一共只需3 4位数据线和控制即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I O器件进行接口 而扩展并行总线则需要8根数据线 8 16位地址线 2 3位控制线 因此 采用SPI总线接口可以简化电路设计 节省很多常规电路中的接口器件和I O口线 提高设计的可靠性 SPI串行接口 常用的通信接口 SPI串行接口 常用的通信接口 SPI接口可以用全双工方式同时发送和接收8位数据 它提供了四条引脚 MISO主机的输入 从机的输出 主机的MISO应与从机的MISO相连进行高位在前的数据交换 MOSI主机输出 从机输入数据引脚 这一引脚连接主机的数据输出和从机的数据输入端 进行高位在前的数据交换 SCLOCK主机的时钟线 为MISO数据的发送和接收提供同步时钟信号SS从机选择线 只在从方式中用于低电平选中从机 SPI串行接口 常用的通信接口 SPI串行接口 常用的通信接口 SPI串行接口 常用的通信接口 RS 232接口 常用的通信接口 RS 232接口 RS 232接口有25针式的和9针式的 只需接好五根线即可正常通信 如果去掉握手信号 最少使用3根即可实现正常的串口通信 常用的通信接口 RS232 OpenComConfig 1 COM1 9600 0 8 1 512 512 打开选定的串口 函数的参数依次是 串口号 打开的串口名 波特率 校验方式 数据位长度 停止位长度 串口输入输出队列的长度 SetComTime 1 5 0 设置通信超时时限 SetComTime 1 0 禁止软件握手 SetCTSMode 1 LWRS HWHANDSHAKE OFF 禁止硬件握手 eventMask LWRS RXCHAR if RS232 0 InstallComCallback 1 eventMask 512 0 x13 ComCallback NULL 安装回调函数 其中LWRS RXCHAR表示在收到字符后就调用ComCallback函数进行处理 if eventMask LWRS RXFLAG n ComRd 1 readBuf 512 读取字符并存到缓冲区 RS 232接口 常用的通信接口 USB接口技术是由Microsoft Compaq Intel等公司首先发起的 因为当时计算机各种外部接口林立 互不兼容 因此迫切需要一种简化的计算机与外部设备的接口 USB接口就是这样应运而生的 自从1994年发布USB接口规范0 7版本以来 USB接口技术得到了广泛的应用 兼容USB接口的设备越来越多 2001年发布的关于USB2 0规范的补充版USBOTG更是使得便携式设备之间传输信息更加方便 极大地扩充了USB接口的应用范围 USB接口技术之所以有如此大的发展 主要取决于其如下特点 支持即插即用和热插拔 接口体积小 同一端口支持多个外设 节省系统资源 使用灵活 成木低 性能可靠 兼容性好等 但是 USB也有一些缺点 如协议复杂 传输距离短等 USB接口 常用的通信接口 USB总线的特点 1 速度快 快速是USB技术的突出特点之一 USB1 1接口提供的传输速度有低速 1 5Mbps 和全速 12Mbps 两种 USB2 0标准 速度可达480Mbps 比串口速率快4000倍 并行口速率快400倍 USB端口的传输速率比目前PC平台上的任何其他类型端口的传输速率都快 2 连接简单 快捷所有的USB外设利用通用的连接器可简单方便地连入计算机中 安装过程高度自动化 既不必打开机箱插入插卡 也不必考虑资源分配 更不用关掉计算机电源 即可实现热插拔 3 无须外接电源 一些采用普通串口或并口设备比如打印机 扫描仪等都需要相应的外接电源系统 而USB电源能向低压设备提供5V的电源 因此新的设备就不需要专门的交流电源 从而降低了这些设备的成本 4 有不同的带宽和连接距离USB提供低速 全速与高速三种数据传送速度规格 全速传送时 结点间连接距离为5m 连接使用4芯电缆 电源线2条 信号线2条 该速率与标准的串行端口相比 大约快100倍 与标准的并行端口相比 也快近10倍 因此 USB能支持高速接口 例如ISDN PRI TI等 使用户拥有足够的带宽供新的数字外设使用 5 支持多设备连接利用菊花链的形式对端口加以扩展 USB的端口具有很灵活的扩展性 一个USB端口串接上一个USBHub就可以扩展为多个USB端口 避免了PC机上插槽数量对扩充外设的限制 减少PC机I O接口数量 6 良好的兼容性USB接口标准有良好的向下兼容性 以USB2 0和1 1版木为例 2 0版木就能很好地兼容以前的USB1 1的产品 系统在自动侦测到1 1版本的接口类型时 会自动按照以前的12Mbps的速度进行传输 而其他的采用2 0版木的设备不会因为接入了一个1 1标准的设备而减慢它们的速度 它们还是能以2 0标准所规定的速度进行传输 USB接口 常用的通信接口 USB的硬件系统是指一个相对完整的 可执行某些功能的硬件集合 包含三个部分 USB主机 USB设备和USB连接 USB连接就是USB主机和USB设备之间的连线 通常为一条USB电缆 USB主机是安装了USB主机控制器的计算机系统 在一个USB系统中 只能有一个USB主机 所有的USB数据传输都由主机来控制的 USB设备是执行某项功能的逻辑或物理实体 USB设备又分为USB集线器 USBHUB 和功能设备 USB集线器就是能够提供更多到USB主机连接的器件 已能够将一个USB接口转化成多个USB接口 从而能够连接更多的USB设备 如果一个设备中既有集线器 又有功能设备 则称此设备为复合设备 USB接口 常用的通信接口 USB接口 常用的通信接口 USB的软件系统比较复杂 整个软件系统可分为主机部分的软件和设备的特定功能 与设备类型密切相关 USB设备层 负责实现USB协议 与具体设备关系不大 我们关注的是运行在主机的USB设备层软件 这一层的软件又可分为设备驱动程序 USB驱动程序和主控器驱动程序 设备驱动负责USB设备的配置和数据传输 USB驱动 USED 负责与硬件无关的USB协议操作 主控器驱动程序负责与硬件相关的操作 虽然USB主机软件可以简单的分为这几个层次 但是由于USB接口协议非常复杂 要完全理解和熟练应用有一定的困难 因此在设备开发过程中 开发人员只需知道如何去调用或修改已有的USB驱动即可 另外 还有两个比较重要的概念 它们与软硬件均有联系 一个是端点 它是USB设备中的实际物理或逻辑单元 USB数据传输就是在主机和USB设备各个端点之间进行的 端点一般由USB接口芯片提供 另一个是管道 它是对主机和USB设备间通信流的抽象 表示主机的数据缓冲区和USB设备端点之间存在着逻辑数据传输 与设备中的端点是一一对应的 USB接口 常用的通信接口 USB接口 常用的通信接口 接口信号线 USB总线 电缆 包含4根信号线 用以传送信号和提供电源 其中D 和D 为信号线 传送信号 是一对双绞线 VBus和GND是电源 提供电源 USB接口 常用的通信接口