第4章 串行通信及接口(1)

1、第4章 串行通信及接口 第4章 串行通信及接口 串行通信的基本概念 可编程串行接口芯片-Ins 8250A 习题 串行通信的基本概念 数字信号的并行传输和串行传输 D0 D7 STR ACK 017017 CP1 CP2 CPU OUT XXXH，ALIN AL，XXXH CPU 10100011 串行通信的基本概念 全双工方式和半双工方式 全双工方式：用不同的通路同时进行发送和接 收； 半双工方式：输入和输出使用同一通路，或者 发送或者接收。 串行通信的基本概念 串行通信的同步方式 字符同步方式（异步同步方式，起止式同步方 式）：以字符为单位进行传输，在发送每个字 符之前发送一个同步参考信号

2、。 位同步方式：发送端对每位数据位都带有同步 信息。可以在发送数据的同时发送同步的时钟 脉冲，也可以通过编码将数据和时钟一起发送。 串行通信的同步方式 字符同步方式（异步同步方式，起止式同 步方式）：以字符为单位进行传输，在发 送每个字符之前发送一个同步参考信号。 起始位起始位 58个字符 个字符 奇奇/偶校验位偶校验位 停止位停止位 间隔间隔 起始位起始位 串行通信的同步方式 位同步方式：发送端对每位数据位都带有 同步信息。可以在发送数据的同时发送同 步的时钟脉冲，也可以通过编码将数据和 时钟一起发送。 017 CP1 数据数据 017 017 编码 017 时钟 解码 CP 串行通信的同步

3、方式 发送时钟：发送端需要用时钟决定每一位对应 的时间长度，叫发送时钟； 接收时钟：接受端需要用时钟决定每一位对应 的时间长度，叫接收时钟； 上述两个时钟的频率可以是位传输率的16、32、 64倍，叫波特率因子； 波特率：每秒钟所传输的数据位数叫波特率； 信号的发送与侦测：通用异步通信收发器 (UART): universal asynchronous receiver and transmitter 串行通信的同步方式 *异步通信：两个字符之间的传输间隔是任意的，所 以，每个字符的前后都要用一些数据位来做分隔位； 接收方和发送方时钟频率不必完全一样，不超过一 定允许范围即可； *同步通信：将

4、许多字符组成一个信息组，这样字符 可以一个接一个传输，但是，在每组信息(通常称为 信息帧)的开始要加上同步字符，在没有信息要传输 时，要添上空字符，因为同步方式不允许有间隙； 一般将同步字符和空字符用同一个代码。 *同步方式和异步方式比较： 同步方式的信息有效率高。 同步方式需传输时钟信号。 串行通信的同步方式举例 例、异步传输过程：设每个字符对应1个起 始位、7个信息位、1个奇偶校验位和1个停止 位，如果波特率为1200bps，那么，每秒钟能 传输的最大字符数为1200/10120个。 例2 、同步传输：用1200bps的波特率工作，用 4个同步字符作为信息帧头部，奇偶校验，那 么，传输10

5、0个字符所用的时间为 8(100+4)/12000.6933s，这就是说，每秒钟 能传输的字符数可达到100/0.6933144个。 在同样的传输率下，同步传输时实际字符传输 率要比异步传输时高。 数据编码技术 数字数据数字数据 模拟数据模拟数据 数字传输数字传输 模拟传输模拟传输 曼彻斯特曼彻斯特/差分差分编码编码 调制解调调制解调 PCM 调制解调（频分复用）调制解调（频分复用） 数据编码技术-数字数据的数字编码 1 0 1 1 0 0 1 0 不归零制编码不归零制编码 时钟时钟 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 数据编码技术-数字数据的模拟编码 技术 数据数据

6、调幅调幅 调频调频 调相调相 0 1 0 1 1 串行通信标准 RS-232-C：EIA1969年发布的串行数据交换 标准。 RS-449-C：EIA1977年发布的串行数据交换 标准。 RS-485：适合于点到多点的串行数据交换标 准。 USB：通用串行总线规范。 IEEE 1394：Fire Wire“火线” RS-232-C DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设 备，是具有一定的数据处理能力和发送、 接收数据能力的设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数 据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之 间

7、提供信号变换和编码的功能，并且负责 建立、保持和释放数据链路的连接。 RS-232-C 机械特性：DB25型，25Pin，DTE端为插针，DCE端为插 孔。 电气特性：逻辑1输出为-5V-15V，逻辑0输出为+5V+ 15V，逻辑1接收为-3V25V，逻辑0接收为+3V+25V。输 入输出均需要电平转换电路（如MC1488/1489）。 功能特性：主要引脚的作用，TD/RD为发送/接收数据， DTR/DSR为数据终端准备好/数据设备准备好，RTS/CTS 为请求/允许发送，RI/CD为振铃指示/载波检测（用于 MODEM）。 规程特性：DTE置DTR为ON，DCE置DSR为ON（建立连 接），

8、DTE要发送数据时置RTS，DCE置CTS，则DTE可通 过TD/RD发送/接收数据。结束时拆除连接，即DTE将DTR 置OFF，DCE将DSR置OFF（简化）。 RS-232-C DTE DCE DCE 串行比特传输 信号线与控制线用户环境 通信环境 用户设施 通信设施 DTE 信号线与控制线 用户设施 用户环境 DTE 通过 DCE与通信传输线路相连 RS-232-C EIA-232/V.24 的信号定义的信号定义 (1) 保护地 (2) 发送数据TxD (3) 接收数据RxD (4) 请求发送RTS (5) 允许发送CTS (6) DCE 就绪DSR (7) 信号地 (8) 载波检测CD

9、 (20) DTE 就绪DTR (22) 振铃指示RI DTEDCE 计算机 或 终端 调制解调器 RS-232-C 两个两个 DTE 通过通过 DCE进行通信的例子进行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口接口 调制解调器调制解调器 DTE-ADTE-B DCE-ADCE-B EIA-232/ V.24 接口接口 调制解调器调制解调器 网网 络络 P42 置置DTR；TxD发发 送电话号码送电话号码 置置RI 置置DTR 产生载波；置产生载波；置DSR 检测载波；置检测载波；置CD和和DSR；产生载；产生载 波波 检测载波；置检测载波；置CD 置置RTS 置置CTS DTE-A发送数据

10、；发送数据；DTE-B接收数据接收数据 RS-232-C 插头插头插座插座 计算机虚拟调制解调器计算机 （1）保护地 （2）发送 （3）接收 （4）请求发送 （5）允许发送 （6）DCE 就绪 （7）信号地 （8）载波检测 （20）DTE 就绪 （22）振铃指示 （1）保护地 （2）发送 （3）接收 （4）请求发送 （5）允许发送 （6）DCE 就绪 （7）信号地 （8）载波检测 （20）DTE 就绪 （22）振铃指示 RS-449-C的电气特性 RS-423A：采用非平衡线路，每 一路信号均为单端输出差分输入， 每个方向一个回线，从而使串音 干扰减小。输出电压为 3.6V6V,输入门限电压为

11、- 0.2V+0.2V。10m以内可达 300Kbps。 RS-422A：采用平衡线路，每一 路信号均为差分输出差分输入， 每路信号一个回线，抗干扰能力 很强。输出电压为2V6V,输入 门限电压为-0.2V+0.2V。10m以 内可达10Mbps。 RS-232-C：单端输出单端输入， 功用一个地线，抗干扰能力较差。 15M以内21Kbps。 TDRD TDRD TDRD RS-232-C RS-423A RS-422A RS-485的电气特性 在RS-422A的基础上对发送器和接收器正加 了控制信号，保证任何时候只允许一个发 送器处于发送状态。 TDRD RS-485 RD 发送控制 接收控

12、制 接收控制 RD TD 发送控制 TD 发送控制 接收控制 USB的特点 即插即用和热插拔功能（不用重新启动） 灵活多用（127台不同种类的设备，如调制 解调器、数字相机、扫描仪、彩色打印机 等） 直接供电(读卡器 、摄像头 、 游戏柄等耗 电少的设备可直接由USB接口供电，最大可 获得500mA的电流 传输距离在全速传输时(使用4芯电缆)连接 距离为5m USB的传输方式 控制传输方式：类似于查询方式，用来配置和控制 主机到USB设备的传输方式和类型，适用于设备控制 命令、设备状态查询及确认命令的 等时传输方式：适用于可靠性要求不高但对实时性 敏感的设备(如麦克风、喇叭、电话等)，以固定的

13、传 输速率连续的在主机与USB设备之间传输数据，出现 错误时并不理会 中断传输方式：适用于数据量小但需要及时处理的 设备(如键盘、鼠标、操纵杆等 ） 批（Bulk）传输方式：适用于要求正确无误传输大 批量数据的设备(如打印机、 扫描仪、数字相机等 ） USB总线体系结构 总线主机控制器(由主机系统提供)、控制器 驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备及 相应的设备驱动程序。 PC主机系统 HUBHUB . 鼠标MODEM . 摄像头打印机 . USB的电气连接特性 USB发送器USB接收器 Vcc D+ D- GND 15k GND Vcc 15k 1.5k 主机/HUB下行口USB设备/H

14、UB上行口 GND Vcc D+ D- GND *:低速设备是将 电阻接到D-端上 USB传输信号状态：传输信号状态： D+Voh, D-Voh, D+Vol为差分“0” *:低速设备的信号状态相反 USB数据编码和解码 USB使用一种NRZI(不归零反向码)编码方式 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 Idle Data NRZI J K *：为保证准确性，发送设备在在发送一个包时，要进行位：为保证准确性，发送设备在在发送一个包时，要进行位 插入操作，即在数据流中每插入操作，即在数据流中每6个连续的个连续的“1”后插入一个后插入一个“0” ，从而强迫，从而强迫NR

15、ZI码发生变化。码发生变化。 *：接收端则对接收的数据进行解码，即每收到每：接收端则对接收的数据进行解码，即每收到每6个连个连 续的续的“1” 就删除后面的就删除后面的“0”，如有，如有7个连续的个连续的“1”，则，则 认为出现位插入错误，并忽略该数据包（认为出现位插入错误，并忽略该数据包（EOP前除外）前除外） 。 USB总线传输协议 USB属于轮询方式，主机控制端口初始化所有 的数据传输 PID（8） ADDR（7） ENDP（4） CRC5（5） PIDCRC5(5) PIDCRC16(16) PID PIDADDRENDPCRC5 Frame Number（11） 标记包 帧开始包 数

16、据包 握手包 特殊包 DATA（01023) （主机） DATA0、DATA1 ACK、NAK、STALL USB总线通信模型 USB属于轮询方式，主机控制端口初始化所有 的数据传输 应用软件 USB系统 软件驱动管理 主控 器件 外设 串行引擎 USB总线接口USB总线接口 串行引擎 USB设备 USB主机控制器功能 状态处理 串行化和反串行化 帧产生 数据处理 协议引擎 传输差错控制 远程唤醒 根集线器 主机系统接口 软件功能 HCD驱动程序 USB总线驱动程序USBD 设备驱动程序设备驱动程序主机软件主机软件 HUB驱动驱动 USBD HCD IEEE 1394的特点 高速数据传输：10

17、0M、200M、400M 保证是实时性：支持异步、同步两种模式， 可连接高视频设备，应用领 域可扩展到通信和信息家电 高自由度连接/拓扑结构：最多可连接63台 设备，结点间距离4.5m(可延长至50100m) 带电插拔/即插即用 编码方式：DSLink 8250引脚信号 D0D7、A0A2、DISTR/DISTR、 DOSTR/DOSTR、CS0/CS1/CS2： 用于CPU对寄存器读写。 SIN/SOUT、DTR/DSR、RTS/CTS： 用于传输数据。 RI、RLSD：振铃指示和载波 检测。 XTAL1、XTA L2：外部时钟输 入输出。 RCLK/BAUDOUT：接收/发送时 钟信号。

18、OUT1、OUT2：用户指定输出 端。 INTRPT：中断请求信号。 MR：复位信号。 D0D7 D0D7 A0A2A0A2 DOSTR DISTR IOW IOR A3 A4 A9 AEN MR CS2 RS OSC XTAL1 OUT2 INTR 5V IRQ4 SOUT SIN DTR DSR RTS CTS RI RLSD RCLK BAUDOUT 8250 8250内部寄存器 接收缓冲寄存器RBR 发送保持寄存器THR 线路控制寄存器LCR 线路状态寄存器LSR 除数锁存寄存器DLRH/L 中断允许寄存器IER 中断识别寄存器IIR MODEM控制寄存器MCR MODEM状态寄存器M

19、SR RBR接收移位 LCR DLRH/L THR MCR MSR IER IIR 发送移位 LSR波特率发生器 接收同步控制 发送同步控制 MODEM 控制逻辑 控制逻辑 中断 8250的内部结构 线路控制寄存器LCR DLAB位：位：0-允许访问接收缓冲器、发送保持器、中断允许寄存器允许访问接收缓冲器、发送保持器、中断允许寄存器 1-允许访问除数锁存寄存器允许访问除数锁存寄存器 D0D1D2D3D4D5D6D7 数据位数数据位数 校验方式校验方式 间断码设置：间断码设置：0-不设置；不设置；1-设置设置 XX0-无校验；无校验；001-奇校验；奇校验；011-偶校验；偶校验； 101-逻辑

20、逻辑0；111-逻辑逻辑1 00-5位；位； 01-6位；位； 10-7位；位； 11-8位位 线路状态寄存器LSR 1-发送移位寄存器空发送移位寄存器空 1-发送保持寄存器空发送保持寄存器空 D0D1D2D3D4D5D6D7 1-间断指示间断指示 1-字符格式错字符格式错 1-奇偶错奇偶错 1-数据重叠错数据重叠错 1-接收数据就绪接收数据就绪 中断允许寄存器IER D0D1D2D3D4D5D6D7 1-允许允许“MODEM改变状态改变状态”中断中断 1-允许允许“接收线路出错接收线路出错”中断中断 1-允许允许“发送保持寄存器空发送保持寄存器空”中断中断 1-允许允许“接收数据就绪接收数据

21、就绪”中断中断 中断识别寄存器IIR D0D1D2D3D4D5D6D7 中断识别位中断识别位 有无中断待处理有无中断待处理0-有；有；1-无无 00-”MODEM改变状态改变状态”中断中断 01-”发送保持寄存器空发送保持寄存器空”中断中断 10-”接收数据就绪接收数据就绪”中断中断 11-”接收线路出错接收线路出错”中断中断 MODEM控制寄存器MCR D0D1D2D3D4D5D6D7 OUT2 OUT1 RTS DTR 自环自环 MODEM状态寄存器MSR 振铃指示（振铃指示（RI） 数据设备准备好（数据设备准备好（DSR） D0D1D2D3D4D5D6D7 允许发送（允许发送（CTS）

22、数据载波检测（数据载波检测（DDCD） 振铃指示（振铃指示（TERI） 数据设备准备好（数据设备准备好（DDSR） 允许发送（允许发送（DCTS） 数据载波检测（数据载波检测（DCD） 8250在PC机中的应用 TD RD DTR DSR RTS SG CTS TD RD DTR DSR RTS SG CTS TD RD DTR DSR RTS SG CTS TD RD DTR DSR RTS SG CTS TD RD DTR DSR RTS SG CTS TD RD DTR DSR RTS SG CTS 3种连线方式种连线方式 简化连接简化连接 3线连接线连接 完全连接完全连接 8250在P

23、C机中的应用-硬件设计 PC/XT中采用两 片Ins8250 PC/AT中采用两 片Ns16450 目前的PC机中 是将其与其它 的模块集成在 IDE卡或在主板 上）。 D0D7 D0D7 A0A2 A0A2 DOSTR DISTR IOW IOR A3 A4 A9 AEN MR CS2 RS OSC XTAL1 OUT2 INTR 5V IRQ4 SOUT SIN DTR DSR RTS CTS RI RLSD RCLK BAUDOUT 8250 MC1488 MC1488 GND 3F8H- 3FFH 8250在PC机中的应用-软件设计 发送程序发送程序SENDC：接收程序接收程序RECE

24、C：初始化程序初始化程序I8250: LCR7=1 DLRH/L=除数因子除数因子 LCR=AL IER=0 返回返回 DTR、RTS=1 THR=AL CTS，DSR=1？ THR=1？ 返回返回 DTR、RTS=1 CTS，DSR=1？ LSR0=1？ AL=RBR 返回返回 Y Y N N N N Y Y USB接口芯片 +5v D+ D- GND USB接线器接线器 USB收发器收发器 串行接口串行接口 引擎引擎 (SIE) USB 接口接口 程序代码程序代码 和数据和数据RAM 通用微处理器通用微处理器 (8051) I/O端口端口 EZ-USB 地址总线地址总线 数据总线数据总线 张弘编著 EZ-USB2131系列系列:内置微控制器内置微控制器8051、8KB EPROM USB接口芯片 ISP1161的使用非常灵活，是一个单片通用的使用非常灵活，是一个单片通用USB主机控制主机控制 器和设备控制器，器和设备控制器， USB I/F PC （host） USB I/F