第9章通信协议与应用接口技术解析

1、画J9秦通仪与应用按d技净第9章 通信协议与应用接口技术9.1通信协议与标准概述9.2通信总线及接口基本概念9.3常用内部串行通信总线及接口9.4常用外部通信总线及接口通信技术基础目第9亲通信协仪与皮用按D技术9.1通信协议与标准概述911通信协议的概念就协议本身而言，是指在当前的市场经济环境中各 种协会团体及经济组织及人与人之间的相互约定或共同 签署的相互约束的有关文本或条例等。简单的说，是指当通信实体之间彼此通讯时,所共同 遵守的通讯规则与标准。这里指的通信实体指存在数据 通信的各种设备及芯片。H第9*通住惨仪与应用按技术和其它通信方式一样，在通信系统中规定一个统一的 通信标准，即通信的内

2、容是什么、如何通信、何时通信， 都必须在通信的实体之间达成大家都能接受的协定，这些 协定就被称为通信协议。也可将协议定义为监督和管理两 个实体之间的数拯交换的一整套规则。概括地说，通信协议是对数据传送方式的规定，包括 数据格式定义及数据位定义等。从通信系统构成通信网这一逻辑解析为不同系统中实 体之间实现的信息传递与交流，要使各实体间能够相互理 解、共同遵守都能接受的规则（规定、标准），我们把这 些规则的集合称之为通信协议。通信技术基础I；第9亲通住处仪与应用按口技术912通信协议的主要内容通信I办议的规则主要包括了通信的各实体间要完成的各 种操作（语义）和信息交换的各种格式（语法）等。通信 协

3、议有以下三个要素：1. 语义即需要发出何种控制信息、完成何种协议 以及做出何种应答，通俗地说“讲什么”:2. 语法一一即数据与控制信息的结构或格式等，即 “怎么讲”;3. 同步规定事件实现顺序的详细说明，即确定通 信状态的变化和过程，如通信双方的应答关系，即“顺序 速度控制” O通信技术丛础H第9幸通住惨仪与应用按D技术913通信标准化组织简介通信标准与通信协议密切相关，在通信协议下会产生各 种通信制式或标准。然而，这些通信协议、制式、标准又 是由国际的、地区的或国家的相关组织來制定的。当前国际通信标准化组织主要冇：国际电信联盟（ITU）、美国电器和电子工程协会（IEEE）、美国电子 工业协会

4、（EIA）、国际标准化组织（ISO）和国际电工委 员会（IEC）等。通信技术基础H第9亲通命协议与应用按D技术际电信联盟（ITU）International Telecommunications UnionITU是世界各国政府的电信主管部门之间协调电信事务方 而的一个国际组织，成立于1865年5月17Ho由电信标准部门 （TSS）、无线电通信部门（RS）和电信发展部门（TDS） 组成。其中TSS它主要由CCITT、CCIR中从事标准化匸作的部 门合并组成，其主耍职责是完成电信联盟冇关电信标准方面 的目标，包插研究电信技术、操作和资费等问题，并就这类 问题提出建议，以使全世界的电信标准化。H第9

5、亲通命放与应用按D技术2美国电器和电子工程协会（IEEE）-Institute of Electrical and Electronic EngineersIEEE是一个非营利性科技学会，拥有全球近175个国 家三十六万多名会员。透过多元化的会员，该组织在太 空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品 等领域中都是主要的权威。在电气及电子工程、计算机 及控制技术领域中，IEEE发表的文献占了全球将近百分 之三十。IEEE每年也会主办或协办三百多项技术会议。 它定制的标准有数口种Z多，如IEEE802.2、IEEE 802.3、 IEEE 802.11 o通信技术基础第9章通住协汉3美国电

6、子工业协会（EIA ）Electronic Industries AssociationEIA美国电子工业协会创建于1924年，当时名为无线 电制造商协会（RMA RadioManufacturers4 Association）EIA主要制定各种电子元器件的电气性能、规格尺寸、 连接方法、测试方法等标准及制定数据通信终端（DCE） 连接接口标准，女UEIA-3系列及EIA-4系列标准。以及电 子设备的封装规范等数百个标准。通信技术基础点用按口技术际标准化组织(ISO)通信技术基础International Organization for StandardizationISO成立于1946年，

7、是世界上最人的国际性标准化专 门机构，是一个全球性的非政府组织，专门从事编制和 宣传工业和贸易技术标准的组织。此标准化组织的工作领域很广，包扌舌了农业、石汕工 业、矿业、环境保护、信息处理等。在通信技术方面它 主要制定了开放系统互连标准，提出了一系列的信息处 理标准、信息处理系统及数据通信的有关标准，以及ISO 信息技术标准，以及信息交换、局域洌及各种互连业务 的若干标准。通信技术基础H第9亲通住处仪与应用按D技求5.国际电工委员会(IEC)International Electrotechnical CommissionIEC成立于1906年，是世界上最早的国际性电工标准 化机构，总部设在日

8、内瓦。IEC负责有关电工、电子领域的国际标准化工作，其 他领域则由ISO负责。IEC的宗旨是促进电工、电子领域 中标准化及有关方而问题的国际合作，增进相互了解。 工作领域包括了电力、电子、电信和原子能方面的电工 技术。现已制订国际电工标准3000多个。目第9秦通住协仪与应用按D技术通信的标准很多，很复杂。通信协议包括软件协议和 硬件协议，软件协议主耍是通过协议栈來实现，硬件协议 具体体现在通信设备接口和通信总线n各种通信设备间及设备内外设间的通信，必须采用符 合相应的通信协议或标准的接口或总线协议才能正常通信。因此本章就常用的一些工业控制、计算机通信等方而 的总线协议及接口进行简单介绍通信技术

9、基础 _甲第9章通住忖仪与应用按口技术9.2通信总线及接口基本概念921通信总线接口概述一个设备中的微处理器要和外围芯片设备以及设备之间 都存在通信，首先需确立通信协议，按照统一的电气标准， 然后通过通信介质进行交互数据。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路, 配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组 共用的连接线路被称为总线。通信总线和接口是各种电气设备通信的基础，因此，要 实现不同设备Z间的正常通信，必须有通信总线和接口。通佶技术丛础II第9章通命协议与虑用按D技术通信方式按照连接方式可分为有线通信和无线通信。 按照数据传送方式可分为并行通信和串行通信，相应的 通信总

10、线被称为并行总线和串行总线，不管是按照什么 方式来分其数据传输都是按并行或串行通信的方式来进 行的。通信技术卑础_H第9章通命竹仪与应用按D技术922并行通信并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间 传输。通信速度快，但用的通信线多、成本高。数抑线 鹤型饰接75设役I检图91并行数据数据传输H第9幸通命协仪与应用按D技术9.2.3串行通信申行数据传输时，数据是一次一位地在通信线上传输 的。 _并行到串一 _按V行的转换r-W-y7-发收r?n送设-串行到并 行的转换-*4:-设2备?77|冋71冋图9.2串行数据数据传输通信技术基础目第9亲通命竹仪与直用挟D技术H第9章通信协仪与应用挟D

11、技术串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。同步 通信是按照软件识别同步字符來实现数据的发送和接收, 异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。1.同步通信同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一 次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的 字符帧不同，通常含有若干个数据字符。它们均宙同步 字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。通信技术基础H第9章通信协仪与应用挟D技术2.异步通信异步通信中，在异步通行中有两个比较重要的指标: 字符帧格式和波特率。数据通常以字符或者字节为单位 组成字符帧传送。发送端和接收端可以山各白的时钟来 控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不 同

12、步。第9東通住协仪与应用按口技术924串行通信和并行通信的发展从技术发展的情况来看，申行传输方式人有彻底取 代并行传输方式的势头。并行传输技术遭遇发展困境由于并行传送方式的前提是川同一时序传播信号， 用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以 让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异, 数据就会以与时钟不同的时序送达。提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰。因 此，并行方式难以实现高速化。通信技术基础I；第9幸通住协仪与应用按D技术2.差分信号技术的应用实现了信号串行高速传输随着总线频率的提高，所冇信号传输都遇到了同样 的问题：线路间的电磁I：扰越厉害，数据传输失败的发 生儿率就越高，

13、传统的单端信号传输技术无法适应高速 总线的需要。差分信号技术就开始在各种高速总线中得到应用， 在差动传输模式下，共模干扰被磁芯抵消，但不会产生 额外的线路阻抗。通信技术丛础第9亲通住协仪与应用按口技术单端/差分信号传输比较a)单端信号传输b)差分信号传输通信技术基础H第9章通住协仪与应用按D技术差分传输技术不仅突破了速度瓶颈，而且使用小型连 接可以节约空间。近年來，除了USB和FireWire(IEEE 1394),还涌现出很多以差分信号传输为特点的 串行连接标准，儿乎覆盖了主板总线和外部I/O端口，呈 现出从并行整体转移到新串行时代的大趋势。通信技术垒础H第9永通住处仪与应用按D技忒9.3常

14、用内部串行通信总线及接口为了尽量减少总线接口和布线，产生了一些专用于板 级通信的串行总线，如SPI、I2C、UART等。这些串行通信总线及接口的共同特点有：通信协议标准化，接口具有较好的通用性；A通信距离短，主要用于CPU外围芯片设备；A通信速率低，一般低于10Mbps；占用CPU总线少，接口简单；连接方便，不需要特别电路，一般可通过芯片引 脚直接连接。通信技术基础I；第9亲通住协仪与应用按口技术9.3.1 SPI总线及接口1.SPI总线接口概述SPI(Serial Parallel Bus)总线是Motorola公司提LB的一 个同步串行外设接口，允许CPU与各种外围接口器件以 串行方式进行

15、通信、交换信息。SPI接口主要用于中央处 理器和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，可以 实现全双工通信，英数据出数速度总体來说要比I2C总线 要快，速度可以达到儿Mbpso第9*通住协仪与应用按口技术2. SPI硬件结构及总线特点SPI接口在主设备产生的从器件使能信号和移位时钟信 号的同步作用下，按位传输。SPI总线接口包押i以下4根信 号线： SCLK串行时钟信号，由主控制器产生； MISO主设备输入/从设备输出线； MOSI主设备输出/从设备输入线； /SS从设备低电平有效的使能信号线，由主设 备产生。通借技术呈础第9幸通住协仪与应用按D技术SPI总线结构特点：(1) 连线较少，简化电

16、路设 计。(2) 器件统一编址，并与系 统地址无关，操作SPI独 立性好。图9.7 SPI总线上从设备结构(3) 器件操作遵循统一的规 范，使系统软硬件具有 良好的通用性。通借技术呈础第9亲通住協议与应用按D技术3. SPI总线通信协议SPI总线通信过程主要是在串行同步时钟SCK的控制 下，两个双向移位寄存器进行数据交换。输入丨输出n n n nSCKSCKSCKSCKSPIOSPI1SPI2SPI3II图9.8 SPI总线四种匚作方式通信技术基础第9亲通住协议与应用按D技术SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作 要求，其输出中行同步时钟极性和相可以进行覘置， 时钟极性（CPOL）对传

17、输协议没有重大的影响。如果 CPHA=O, 在串行同步时钟 的第个跳变沿（上升或下降） 数据被采样；a） CPHA=O时SPI总线数据传输时序H 第9亲 通住如汉与应用按口技术如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升 或下降)数据被采样。周期4.6通信技术基础串第9秦通住处仪与应用按口技术4. SPI总线主要应用SPI总线设备具有可以同时发出和接收串行数据、可 以当作主设备或从设备工作、提供频率可编程时钟、发 送结朿中断标志、写冲突保护、总线竞争保护等特点， 被广泛应用于微型计算机系统中连接不同的板上设备， 如：EEPROM、A/D转换器、D/A转换器、TC (Real Time

18、Clock) LCD、多媒体卡、SD内存卡等。通信技术垒础甲第9亲通传如汉与应用按D技术9.3.2 I2C总线及接口I2C （Inter-Integrated Circuit芯片间电路接口）总线是 一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微 控制器及其外围设备。通信技术基础-I；第9亲 通住惨议与应用按口技术1. I2C总线的特征快速模式位速率高达400kb/s，快速模式器件向下兼 容高速模式Hs模式位速率高达3.4Mb/s,完全向下兼容 快速模式或标准模式（F/S模式） 10位寻址允许使川高达1024个额外的从机地址。10 位寻址和7位寻址兼容，7位与10位的低至编码可以 用在

19、同一总线上，并可以任意应用于标准模式、快 速模式以及高速模式中通信技术基础第9秦通住处议与应用按口技术5I2C总线的应用场合使川I2C设计计算机系统十分方便、灵活、体积也小， 在各类实际应用中得到广泛应用。许多IC芯片支持该总 线接口：如EEPROMS、Flash 一些RAM、实时时钟芯 片、看门狗、微控制器。通涪技术呈础第9亲应用接D技术9.3.3 UART异步串行通信接口1.异步串行通信概述异步串行通信被广泛应用于微计算机系统和嵌入式 设备屮，主要采用UART （Universal Asynchronous Receiver and Transmitter,通川界步收发器）接口。异步串行通

20、信包扌舌了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等物理接口标准规范和总线标准规范，即 UART是异步申行通信口的总称。而RS232、RS499、 RS423、RS422和RS485等，是对应各种异步串行通信口 的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、 传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。通信技术基础I；第9亲通住必仪与应用按口技术2.异步串行通信协议异步串行通信协议包括起始位、数据位、奇偶校验位、 停止位。常用的波特率为50, 95, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 115200等。第n个字符D（）D D

21、o D3 D4 D5 D61/01/01/01/01/01/01/01/0数据位1 1 01110空闲位空闲位起始位奇偶位停止位人减图异步串行通信字符的传送格式H 第9章 通传协仪与应用按D技忒接收方按约定的格式接收数据，并进行检查，一般 可以査出以下三种错误：1) 奇偶错：在约定奇偶检查的情况下，接收到的字 符奇偶状态和约定不符。2) 帧格式错：一个字符从起始位到停止位的总位数不对。3) 溢出错：若先接收的字符尚未被微机读取，后而 的字符文传送过来，则产生溢出错。每一种错误都会给 出相应的出错信息，提示用户处理。通信技术基础I；第9亲通住处仪与应用按口技术3.异步串行通信接口定义一般UART

22、接口定义四根引脚，分别如下：1 ) RxD ( Receive Data ) 数据接收引脚，用于串行通信数 据接收：2) TxD ( Transmit Data )数据发送引脚，H于串行通信数据发送；3) RTS (Requestto Send) 请求数据发送引脚，用于标明 接收设备有没有准备好接收数据，即当终端要发送数拥时，使该信 号有效；4) CTS (Clear to Send) 允许数据发送引脚，用于CTS來 起动和背停來自计算机的数据流，用來衣示从设备准备好接收上设 备发來的数据，是对诸求发送信号RTS的响应信号。禹第9章通分协仪与A用挟D技术UART设备要进行正常的通信，必须将一个

23、设备的TxD引脚和另一个设备的RxD引脚相连，如图9.14所示。UARTAUARTBTxDRxDRxD19TxDRTSCTSCTSRTS图914 UART通信接口连接示意图通信技术垒础第9* 通住协仪与应用按口技术4.异步串行通信的应用由于异步串行通信具有接口统一、连接方便等优点， 被广泛应用于计算机设备的模块扩展（如GPS模块、蓝才 通信模块、GSM等）和通信（如调制解调器）。通信技术基础第9亲通住协仪与应用按D技术94常用外部通信总线及接口9.4.1异步串行总线及接口RS-232C是由美国电子工业协会(EIA)正式分布的 串行总线标准。为了提高数据传输率和通讯距离，EIA又分布了RS-449、RS-442/423/485串行总线接口标准。通信技术基础I；第9秦通住协仪与应用按口技术1.RS-232C串行总线接口RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的种中行接口。 RS-232被定义为一