第六章 串行通信接口

第六章串行通信接口串行通信的基本概念串行通信接口标准INTEL8251的功能及应用编程微型计算机串行通信程序的编制计算机的CPU与其外部设备之间常常要进行信息的交换，一台计算机与其他的计算机之间有时也要交换信息。所有这些信息交换均可称为“通信”。通信的基本方式可分为并行通信和串行通信两种。并行通信是指数据的各位同时进行传送的通信方式。串行通信是指数据是一位一位地按顺序传送的通信方式。6、1串行通信的基本概念6、1、1．串行通信的分类按照串行数据的同步方式，串行通信可分为异步传送和同步传送两类。同步通信是靠识别同步字符来实现数据的发送和接收的，而异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。1．1异步传送方式

异步传送的特点是数据在线路上的传送是不连续。数据以一个字(或称字符)为单位来传送。异步传送时，各个字符间可以是连续传送的．也可以是间断传送的，这完全由发送方根据需要来决定。异步传送时，同步时钟脉冲并不发送到接收方，即双方各用自己的时钟源来控制发送和接收。字符的发送是随机进行的，因此，对于接收方来说就有一个判别何时有字符达到，何时是新的一个字符开始的问题。因此，在异步通信时，对字符必须规定一定的格式。起止式异步通信数据格式①每个字符总是以起始位开始（“0”），以停止位（“1”）结束。11000010111000空闲位起始位数据位0低高校验位停止位②字符之间没有时间间隔要求③字符后一位校验位（可没有）2.特点：是一个字符一个字符传输异步传输方式中的每个字符由4个部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。一个字符由起始位开始，停止位结束。①起始位：1位，低电平；②数据位：5~8位，低位在前，高位在后；③校验位：1位，对数据进行校验，奇校验和偶校验；④停止位：1~2位，高电平。停止位后不定长度的高电平部分称为空闲位，多少不限。停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑1），这样就能保证起始位开始处一定有一个下降沿，指出一个字符的开始。异步通信的时钟定时方法数据（62H）000011停止位异步传输先发送低位(LSB)发送方利用发送时钟来决定发送每个位的时刻接收方检测起始位的下降沿，并用它来同步接收时钟，然后利用接收时钟从每一位的中间接收该位1起始位LSBMSB0奇偶校验位00/111接收/发送时钟波特率波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，其单位是bps（位/秒），简称波特。波特率是衡量串行通信数据速度快慢的一个技术指标。有时也用“位周期”来表示传输速率，位周期是波特率的倒数。最常用的标准波特率是110、300、600、1200、2400、4800、9600和19200bps。并行通信中，传输速率是以每秒传送多少字节来表示。串行通信中，传输速率是以波特率来表示假如每传送一个8位字符，共有12位格式（其中有1个起始位，8个数据位，1个校验位，2个停止位），如果波特率是1200bps。则每秒钟传送的字符数是1200/12=100个。波特率和时钟频率在串行通信时，接口电路的发送端需要用一个时钟来决定每一位对应的时间长度，同样接收端也需要由一个时钟确定每一位数据所对应的时间长度。为了实现这一目的，通常串行接口电路各有一个独立的时钟信号，发送器时钟和接收器时钟。收/发时钟频率与波特率之间的关系：收/发时钟频率=波特率×波特因子一般n取1,16,32和64等。对于异步通信，常采用n=16；对于同步通信，则必须取n=1。例1某一串行接口电路的发送器时钟频率为19200Hz，波特率因子的值为16，则发送波特率Fd=Ftxc/Kt=19200/16=1200（bps）例2要完成从A站到B站的串行数据通信，A站的发送器时钟频率Ftxc为38400Hz，波特率因子为16；B站的接收器电路规定波特率因子为64，则B站的接收器时钟频率应为多少？根据A点的发送器电路规定，数据传输的波特率：Fd=Ftxc/Kt=38400/16=2400（bps）收发双方应该使用相同的波特率，接收器时钟频率应为：Frxc=Fd

×Kr=2400×64=153600（Hz）异步通信中，收发双方的约定在异步通信中。收发双方必须事先约定两件事：一是规定字符格式即规定字符各部分所占的位数，是否采用奇偶校验，以及校验的方式(偶校验还是奇校验)。二是规定所采用的波特率以及时钟频率和波特率间的比例关系。异步传送由于不传送同步时钟脉冲，所以设备比较简单，实现起来方便。它还可根据需要连续地或有间隙地传送数据，对各字符间的间隙长度没有限制。缺点：是在数据字符串中要加上起同步作用的起始位和停让位，降低了有效数据位的传送速率，仅适合于低速通信的场合。1．2同步传送方式同步传送是以许多字符或许多比特组织成的数据块为传输单位，它是一种连续传送数据的方式。在通信开始以后，发送端连续发送字符，接收端也连续接收字符，直到一个数据块传送结束。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示。2.同步通信以一个数据块（帧）为传输单位，每个数据块附加1个或2个同步字符，最后以校验字符结束同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路比较复杂串行同步通信主要应用在网络当中最常使用高级数据链路控制协议HDLC~~~~同步字符数据数据数据校验字符同步通信可以分为单同步字符方式和双同步字符方式。同步字符可以由用户约定，当然也可以采用用ASCII码中规定的SYN代码，即16H。按同步方式通信时，在发送时要插入同步字符，接收方检测到同步字符时，即准备开始接收，因此，在硬件设备上需要有插入同步字符和相应的检测手段，设备较复杂。在同步传送时，无论接收或发送，都要求统一时钟．即时钟频率和波特率一致。为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要把时钟信号同时传送出去。同步传送的优点是传送速率较高，可达56K波特或更高。6、1、2串行通信的制式按照数据流的方式可分为单工、半双工和全双工三种基本传送方式1、单工传送方式在接收器和发送器之间只有一条传输线，只能进行单一方向的传输发送器接收器数据流2、半双工传送方式当使用同一根传输线既作输入又作输出时，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时进行收发数据发送器接收器数据流3、全双工传送方式当数据的接收和发送分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一刻时行发送和接收数据发送器接收器数据流示例6、1、3串行通信的调制解调调制（Modulating）把数字信号转换为电话线路传送的模拟信号解调（Demodulating）将电话线路的模拟信号转换为数字信号调制解调器MODEM具有调制和解调功能的器件合制在一个装置示例数据终端设备DTE——数据源和目的地数据通信设备DCE——使数据符合线路要求

6、1、4串行口的基本功能和硬件支持1、异步串行通信接口也称为通用异步接受器/发送器UART。硬件由3部分组成：接收部分、发送部分和控制部分2）错误校验奇偶校验是最常用的一种校验数据传送错误的方法。UART常设置3种出错标志：①奇偶校验错：接收方式在进行奇偶校验时发现的错误，即“1”的个数不符合规定，则为奇偶校验错；②帧格式错：接收方在收到字符时发现字符格式不符合规定，如缺少停止位，则说明帧格式出错。③溢出错：接收方在接收数据时，要将串行数据转换为并行数据供CPU读取。若接收方已经接收了第二个字符，但CPU还没有将前一个字符取走，于是出现数据丢失，这就是溢出错。2同步串行接口组成

FIFO(先入先出缓冲器)：它是由多个寄存器组成的，因此发送时，cPu一次可以将几个字符预先装入。接收时，允许cPu—次连续取出几个字符。输出移位寄存器：它从发送FIFO取得并行数据，以发送时钟的速率串行发送数据信息。输入移位寄存器：它从串行输入线上以时钟分离器提取出来的时钟速率接收串行数据流，每接收完—’个字符数据将其送往接收FIFO。CRC发生器：它从发送数据流信息中获得CRC校验码。CRC校验器：它从接收数据流信息中提取cRc校验码，并与接收到的校验码相比较。总线缓冲器：它是CPU与FIFO(发送和接收)交换数据的双向缓冲器，用来传送cPu对端口的控制信息和端口返回给cPu的状态信息。时钟分离器和锁相环：用来从串行输入数据中提取时钟信号以保证接收时钟与发送时钟的同频同相。6、2串行通信接口标准6.2.1RS-232C接口标准美国电子工业协会EIA制定的通用标准串行接口1962年公布，1969年修订1987年1月正式改名为EIA-232D设计目的是用于连接调制解调器现已成为数据终端设备DTE（例如计算机）与数据通信设备DCE（例如调制解调器）的标准接口可实现远距离通信，也可近距离连接两台微机属于网络层次结构中的最低层：物理层1、RS-232C的电气特性232C接口采用EIA电平高电平为＋3V～＋15V低电平为－3V～－15V实际常用±12V或±15V标准TTL电平高电平：＋2.4V～＋5V低电平：0V～0.4V相互转换1.机械特性（1）连接器（Connector）常用二种：

①DB-25型，25脚，只用9个信号（2个数据线，6个控制线，1个地址），如图所示。1234DB-25型连接器5678911132522201814DCDGNDDSRCTSRTSRXDTXD

②DB-9型9针，9针全用，如下图。123456789DSRRTSCTSRIDCDRXDTXDDTRGNDDB-9型连接器2、主要引脚的功能TxD2：发送数据串行数据的发送端RxD3：接收数据串行数据的接收端RTS4：请求发送当数据终端设备准备好送出数据时，就发出有效的RTS信号，用于通知数据通信设备准备接收数据CTS5：清除发送（允许发送）当数据通信设备已准备好接收数据终端设备的传送数据时，发出CTS有效信号来响应RTS信号RTS和CTS是数据终端设备与数据通信设备间一对用于数据发送的联络信号3、RS-232C标准信号线说明“发送”和“接收”都是站在DTE立场上DSR6:数传机就绪表明Modem处于可使用的状态SG7：信号地为所有的信号提供一个公共的参考电平DCD8：数据载体检出当本地调制解调器接收到来自对方的载波信号时，该引脚向数据终端设备提供有效信号DTR20：数据终端就绪数据终端可使用。RI22：振铃指示当调制解调器接收到对方的拨号信号期间，该引脚信号作为电话铃响的指示、保持有效4、RS-232C总线接口的常用接法微机利用232C接口直接连接进行短距离通信。这种连接不使用调制解调器，所以被称为零调制解调器（NullModem）连接微机利用232C接口连接调制解调器，用于实现通过电话线路的远距离通信不使用联络信号的3线相连方式微机ATxDRxDGND微机B为了交换信息，TxD和RxD应当交叉连接程序中不必使RTS和DTR有效也不应检测CTS和DSR是否有效

RxDTxD1）近距离通信的连接电话线MODEM微机2345678202223456782022MODEM23456782022数传机就绪DSR数据终端就绪DTR发送数据TxD接收数据RxD请求发送RTS允许发送CTS信号地GND载波检测DCD振铃指示RI微机23456782022连接调制解调器2）具有MODEM设备的远距离通信1.特点：

（1）采用平衡发送器和差动接收器，由于是双线传输，大大提高了抗共模干扰的能力。因为是两条传输线的电位差决定逻辑电平

AA´-BB´>200mV，表示“1”AA´-BB´<200mV，表示“0”（2）传输速率10Mbps（<15m时）

90Kbps（<1200m时）6.2.2、RS-422接口标准2.连接MC3487MC3486BTTLRS-422A电平平衡发送器差动接收器B´

AA´

6.2.3RS-485接口标准特点：（1）兼容RS-422A，扩展RS-422A的功能；（2）允许在电路中有多个发送器和允许一个发送器驱动多个接收器，多达32个收/发器；（3）抗干扰能力强，传送距离远，传输速率高。数传率：100Kbps<1.2Km不用MODEM9.6Kbps<15Km10Mbps<15m9.4串行通信接口的任务及组成1、串行通信接口的基本任务实现数据格式化进行串-并转换控制数据传输速率进行错误检测进行TTL与EIA电平转换提供符合EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线2、串行通信接口电路的组成可编程串行接口芯片、波特率发生器、EIA与TTL电平转换器以及地址译码电路组成。6.3可编程串行通信接口芯片8251A8251A的基本性能①可用于同步传送和异步传送；异步传送：也可用5、6、7或8位来代表一个字符，自动为每个数据增加一个起始位，并可根据编程要求为每个数据添加1、1.5或2个停止位。同步传送：可用5、6、7或8位来代表字符，可使用内部或外部字符同步、单同步或双同步，自动插入同步字符，并自动控制检测和处理同步字符。可设定奇偶校验方式，也可以不设定②同步方式波特率为0~64K，异步方式波特率为0~19.2K；③具有全双工、双缓冲器发送和接收器；④具有奇偶、帧错误和溢出等检测电路。

8251A的内部结构8251A由五个主要部分组成：接收器、发送器、数据总线缓冲器、调制控制部件和读/写控制部件组成。在8251A内部由内部数据总线实现这些部件之间的通信。接收器(s->p)接收缓冲器接收控制发送器(p->s)发送缓冲器发送控制TxDTxRDYTxETxCTxRDYSYNDETRxCRxD调制控制读/写控制CLKRESETC/DWRRDCSDTRDSRRTSCTS发送数据/命令缓冲器接收数据缓冲器状态缓冲器⑴接收器接收器的功能是接收RxD引脚上送来的串行数据，并按规定的格式把它转换成为并行数据，存放在数据总线缓冲器中。⑵发送器发送器接收CPU送来的并行数据，经加工处理后由TxD引脚发出。⑶数据总线缓冲器数据总线缓冲器是三态双向8位缓冲器，它使8251A与系统数据总线连接起来。它含有数据缓冲器和命令缓冲器。CPU可以对它读/写数据，也可以写入命令字。另外，执行命令所产生的各种信息也是从数据总线缓冲器读出。⑷调制控制部件产生或接收与MODEM的联络信号，实现对MODEM的控制。⑸读/写控制部件读/写控制逻辑对CPU输出的控制信号进行译码以实现读/写功能。6、3、28251A的外部引脚8251A的接口信号可分为4组：与CPU的接口信号、状态信号线、时钟信号线和与外设（或调制解调器）接口的信号线。

RxRDYRDC/DCSWRTxCD7D6D5D4GNDRxD14131211109876543212715161718192021222324252628D3D2D1CLKD0VCCRxCDTRRESETRTSDSRTxETxDCTSSYDENT/BDTxRDY⑴与CPU接口信号①D7~D0②CS③C/Ｄ：控制/数据信号。为高电平，CPU对芯片写入控制字或读出状态字；为低电平，对芯片读写的是数据。④WR⑤RD⑥RESET表

6-48251A读/写操作C/D功

能实验板0001CPU从8251A读数据308H0101CPU从8251A读状态309H0010CPU写数据到8251A308H0110CPU写命令到8251A309H1×××总线浮空（无操作）——CSRDWR⑵状态信号①TxRDY（TransmitterReady）：发送器准备好，高电平有效。如果该信号有效，就表示发送缓冲器已空，通知CPU可以向芯片送入新的数据。②TxE（TransmitterEmpty）：发送缓冲器空，高电平有效。不管发送时是处于等待状态还是发送状态，只要发送缓冲器中没有再要发送的字符，这个信号就为高电平。当从CPU送入一个数据时，该信号被复位。③RxRDY（ReceiverReady）：接收器准备好，高电平有效。如果RxRDY为高，表示接收缓冲器中已经有组装好了的一个数据字符，通知CPU读取数据。④SYNDET（SynchronousDetection）/BD（BreakDetection）：同步检测信号，双功能引脚。⑶时钟信号①TxC（TransmitterClock）：发送器时钟，由外部提供，用来控制8251A的发送数据的速率。在异步方式下，TxC的频率可以是波特率的1、16或64倍；在同步方式下，TxC的频率与数据速率相同。②RxC（ReceiverClock）：接收器时钟，由外部提供，用来控制8251A的接收数据的速率。其频率的选择与TxC相同。实际应用时，TxC和RxC往往连在一起，使用同一个时钟源。③CLK：工作时钟，由外部时钟源提供，为芯片内部电路提供定时，并非是发送或接收数据的时钟。⑷与外设的接口信号①TxD：发送数据线。②RxD：接收数据线。③DTR（DataTerminalReady）：数据终端准备好，一个用于连接调制解调器的控制信号，输出，低电平有效。④RTS（RequestTosend）：请求发送，一个用于连接调制解调器的控制信号，输出，低电平有效。用于通知Modem，CPU已准备好，可由命令字设置。⑤DSR（DataSetReady）：数据设备准备好，一个用于连接调制解调器的控制信号，输入，低电平有效。⑥CTS（ClearToSend）：允许发送，一个用于连接调制解调器的控制信号，输入，低电平有效。这是Modem对8251A的信号的响应，当其有效时，8251A方可发送数据。6.3.38251A的控制字和状态字1控制字寄存器控制字寄存器分为方式控制字和命令控制字

1）方式控制字寄存器：用来指定8251A的通信工作方式以及在该方式下的数据格式，即指定8251A工作在异步方式还是同步方式，并按照其通信方式约定帧数据格式。S1S0EPPENL1L0B1B000同步方式01异步方式110异步方式1611异步方式64字符码位数00=5位01=6位10=7位11=8位奇偶校验X0=无校验10=奇校验11=偶校验同步方式异步方式00双同步,内同步01双同步,外同步10单同步,内同步11单同步,外同步00不使用011位停止位101.5位…..112位停止位例1：设在异步通信中，数据格式采用8个数据位，2个停止位，奇校验，波特率因子是16。方式选择控制字为11011110B=DEH，把该命令写入控制口，则程序段为：MOVDX，309H ；8251A控制口MOVAL，0DEH；异步方式选择控制字OUTDX，AL例2：在同步通信中，如果帧数据格式为：字符长度8位，两个同步字符，内同步，偶校验.方式选择控制字为00111100B=3CH。把该命令写入控制口，则程序段为：

MOVDX，309H ；8251A控制口

MOVAL，3CH ；同步方式选择控制字

OUTDX，AL2）工作命令控制字工作命令控制字又称为工作命令字，用来指定8251A进行某种操作（如发送、接收、内部复位和同步字符检测等）或处于某种工作状态，以便接收或发送数据。EHIRRTSERSBRKRxEDTRTxEN发送允许0=禁止1=允许数据终端就绪1=就绪0=无效允许接收0=禁止1=允许送间断字符1=输出连续空号0=正常错误标志复位1=FE（帧格式错）、OE（溢出错）、PE（奇偶校验错）的出错标志复位0=不内部复位请求发送1=有效0=无效内部复位1=复位搜索同步字符1=搜索0=不搜索例3：如果要使8251A进行内部复位MOVDX，309H ；8251A控制口MOVAL，01000000B ；置D6=1OUTDX，AL例4：在异步通信时，设置8251A允许接收，同时允许发送MOVDX，309H ；8251A控制口MOVAL，00000101B ；置D2=1，置D0=1OUTDX，AL2、状态字D7D6D5D4D3D2D1D0DSRSYNDETFEOEPETxERxRDYTxRDY数据设备就绪同步检测帧格式错溢出错校验错发送器空接受准备好发送准备好例5：异步串行通信，采用查询传送方式，发送一个字节，然后再接收一个字节

MOVDX，309H ；8251A控制口L1：

INAL，DX ；读状态字

ANDAL，01H ；检查发送器是否就绪

JZL1 ；未就绪，转L1等待

MOVAL，[SI] ；取发送字节

DECDX ；指向8251A数据口

OUTDX，AL INCDX ；指向8251A控制口L2：

INAL，DX ；读状态字

ANDAL，02H ；检查接收器是否就绪

JZL2 ；未就绪，转L2等待

DECDX ；指向8251A数据口

INAL，DX ；读取接收的字节

MOV[DI]，AL在接收程序中，若要检查出错信息MOVDX，309H ；8251A控制口

INAL，DX ；读状态字TESTAL，38H ；检查D5D4D3三个位JNZERROR ；如果其中有一位为1，则出错，转错误处理程序例6：8251A的方式选择控制字、工作命令字和状态字这三者之间的关系方式控制字只是约定了通信双方实行的通信方式（同步/异步）及其数据格式（数据位和停止位的长度，校验特性，同步字符特性等）、传送速率（波特率因子）等参数，但并没有规定数据传送的方向是发送还是接收工作命令字来控制其发送与接受。何时才能发送/接收？这就取决于8251A的状态字。只有当8251A进入发送/接收准备好的状态，才能真正开始数据的传送。6.3.48251A的初始化流程①芯片复位以后，第一次向奇地址端口写入的字节作为方式控制字进入方式寄存器。②如果方式控制字中规定了8251A工作在同步模式，那么，CPU接着往奇地址端口写入的1个或2个字节就是同步字符，同步字符被送往同步字符寄存器。如果是双同步方式，则会按先后分别写入第一个同步字符寄存器和第二个同步字符寄存器。③在这之后，只要不是复位命令，不管是同步方式还是异步方式，由CPU向奇地址端口写入的字节将作为工作命令字送到控制寄存器，而向偶地址写入的字节将作为数据送到数据输出缓冲寄存器。

例6－1异步方式下初始化程序8251A端口地址为300H~301H，

1）通信字符采用8位二进制数表示，带1个偶校验位，1个停止位。设波特率因子为64。则方式选择控制字为01111111B=7FH。

2）允许发送和接收，使错误位全部复位

工作命令字为00010101B=15H。3）查询8251状态字，当接收准备就绪时，则从8251输入数据，否则等待MOVDX，301H ；8251A控制口MOVAL，7FH ；设置方式控制字：异步方式，波特率因子为64；8个数据位；OUTDX，AL ；偶校验；1个停止位。MOVAL，15H ；设置工作命令字：使发送启动；接收启动；出错标志复位；OUTDX，AL WAIT：INAL，DX;读入状态字

ANDAL，02H;接收准备好？

JZWAIT;接收未准备好则等待

MOVDX，300HINAL，DX;接收已准备好则读入数据6、3、58251A应用实例试用8251A为8086CPU与CRT终端设计一个串行通信接口。要求异步传送方式，数据格式为1位停止位，8位数据位，奇校验；波特率因子为16CPU用查询方式将显示缓冲区（首地址为2000H）的字符”GOOD“送CRT显示。1)硬件连接2)软件设计DATASEGMENTORG2000HDISBUFDB47H,4FH,44H,0DH,OAH;COUNTDB$-DISBUFDATAENDS………MAINMOVDX,301HMOVAL,01011110BOUTDX,ALMOVAL,00110011BOUTDX,ALMOVBX,OFFSETDISBUFMOVCXCOUNTWAIT:MOVDX,301HINAL,DXTESTAL,80HJZWAITMOVDX,300HMOVAL,[BX]OUTDX,ALINCBXDECCXJNZWAITHLT3.两台微机之间进行双机串行通信的举例例【8-10】通过8251A实现两台微机相互通信的硬件连接图如图8-25所示。利用两片8251A通过标准串行接口RS-232C实现两台8086微机之间的异步串行通信。设两台微机中8251A的命令端口地址为均3F9H，数据端口地址均为3F8H。

分析：设系统采用查询方式控制串行通信的过程。初始化程序由两部分组成：①将一方定义为发送方，发送方CPU查询到TxRDY有效时，则CPU向8251A并行输出一个待发送的字节数据；②将对方定义为接收方，接收方CPU查询到RxRDY有效时，则从8251A输入一个已接收到的字节数据，直到全部数据传送完毕为止。START：MOV

DX，3F9HMOV

AL，7FH