串行通信与串行接口课件

串行通信与串行接口一、概述二、串行通信的基本概念三、串行接口四、串行传送的实现五、可编程异步通信接口芯片8250六、IBMPC/XT异步通信适配器电路C0D0D1D2DnC1数据位控制位控制位发送方接收方

特点：速度较慢，但造价低。一、概述1.串行通信

在计算机中，数字和字符都是以一定的编码表示，常用的编码有：

①扩展的BCD交换码EBCDIC——

这是一种8位编码，较常用在同步通信中。

②美国标准信息交换码ASCⅡ。

以这样的方式表示字符，则字符可以一个接着一个传送。3.两种通信方式

①异步通信ASYNC（AsynchronousDataCommunication）00/10/10/1111起始位数据位校验位停止位空闲位一个字符格式：2.传送编码•

字符与字符之间可以有不同的间隔长度；•

接收设备在收到起始位信号后，只要在一个字符的传输时间内与发送设备保持同步，就能正确接收；

•

其它时间内发送时钟和接收时钟可以不同步；

②同步通信~~~~同步字符同步字符字符1字符2字符n校验码校验码

同步传送的速度高于异步，但它要求用时钟来实现发送端和接收端之间的同步，故硬件复杂。同步方式常用于：计算机到计算机之间的通信；计算机到CRT/外设之间的通信。格式：在传送过程中，发送和接收设备要保持完全的时钟同步，使用同一时钟：

•

近距离时，可以在传输线中增加一根时钟信号线，用同一时钟发生器驱动收发设备；

•

远距离时，可以通过调制解调器从数据流中提取同步信号，用锁相技术得到和发送时钟频率完全相同的接收时钟。二、串行通信的基本概念串行数据通信系统模型计算机MODEMMODEM计算机或终端信道（传输线路）

对一个通信系统来讲，必须要考虑的问题有以下几个方面：信道的带宽和数据的传输速率；信号的调制与解调；(3)串行通信数据格式；等。（一）数据的传送方向

通常串行通信，数据在两个站之间是双向传送的，A站可作为发送站，

B站可作为接收站，反之亦可。

通常传送可分：

3.完全双工（FullDuplex）同时两个站都能发送。2.半双工（HalfDuplex）每次只有一个站发送，即只能由A发送到B，或有B发送到A，不能A和B同时发送。1.单工（HalfDuplex）只有一个方向的数据传送。站A发送器站B接收器站A发送器/接收器站B发送器/接收器站A发送器/接收器站B发送器/接收器2.信道的带宽信道是电信号通过的路径，信道传输信号的频率范围称为信道的带宽（Bandwidth）。信道的带宽由——传输媒体；有关的附加设备；共同决定信号的频率；

带宽的衡量——

通常用一个信道的截止频率来衡量。

截止频率：当一些频率信号通过时,对某个频率信号产生较大衰减的频率。

1.信道——信号传输的通道，包括传输媒体及有关的中间通信设备。有线信道的传输媒体有架空线、同轴电缆、光导纤维等，考虑到传输时信号产生衰减，每隔一定距离要设置中继器等放大设备。（二）信道的带宽和传输速率3.传输速率指一个信道每秒钟传送的二进制的位数。

（bitepersedond——bps）——

波特率

信道的最大传输速率受信道的带宽的限制。国际上规定了一个标准波特率系列：110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600、14.4Kbps、19.2Kbps、28.8Kbps、33.6Kbps、56Kbps。例1：一个异步串行发送器，发送具有8位数据位的字符，在系统中使用一个奇偶校验位和两个停止位。若每秒发送100个字符，则其波特率为多少？100*（1+8+1+2）=1200bps例2：一个异步串行发送器，发送具有7位数据位的字符,传送波特率为1800，字符格式为：1个奇偶校验位，1个停止位，问，十秒钟内传送了多少个字符?10*1800/(1+7+1+1)=180000/10/10/1111起始位数据位校验位停止位空闲位一个字符格式：

数据通信传输的是数字信号，要求传送线的频带很宽，而我们在长距离传送时，有时是利用电话线传送的，而电话线的带宽为300~3000Hz，因此若直接传输数字信号，信号就要发生畸变。~~~~计算机终端或计算机

因此，需用调制器将数字信号转换成模拟信号—传输—再用解调器将其转换成数字信号。（三）信号的调制与解调

根据载波Asin(t+)的三个参数：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：幅移键控法Amplitude-ShiftKeying(ASK)频移键控法Frequency-ShiftKeying(FSK)相移键控法Phase-ShiftKeying(PSK)ASK(又称为调幅)

用载波信号的不同幅度代表‘1’和‘0’FSK(又称为调频)

用载波信号的不同频率代表‘1’和‘0’PSK(又称为调相)

用载波信号的相位变化代表‘1’和‘0’(有变化为’1’)三种调制方式调制—把数字信号承载到载波信号上（载波信号——模拟信号）解调—从载波信号中恢复出数字信号00110100010调幅调频调相数字信号数字信息三种调制方式的调制波形图频移键控法（FSK）——（FrequencyShiftKeying）

两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运算放大器的输入端输入；电子开关由需传输的数据信号控制：当信号为“1”时，上面的电子开关导通，送出一串频率较高的模拟信号；当信号为“0”时，下面的电子开关导通，送出一串频率较低的模拟信号；于是，在运算放大器的输出端，得到了调制后的信号。(四)串行通信数据格式

在数据通信中，传输的对象是一系列的0，1，这些0，1在不同的位置有不同的含义，这些含义都要事先约定好。在串行通信中，两种最基本的通信方式都有各自的约定。

一个帧结构00/10/10/1111起始位

1位

数据位

5、6、7、8位不等校验位

1位

停止位

1、1.5、2位不等空闲位低位高位1.异步串行通信在发送一个字符时，包含一个起始位，若干数据位，一个奇偶校验位，几个停止位。例如：传送一个字符“E”，（ASCⅡ码为：1000101B=45H）11010100010

1

111起始位数据位校验位停止位空闲位停止位•

起始位：用来通知接收器已经开始字符传送。接收器收到这个信号后，开始装配一个字符。目的——

是接收器和发送器能够同步工作。•

终止位：保证下一个字符的起始位在通信线路上能够同步工作。•

奇偶校验位：检验数据的正确性。2.同步串行通信

在异步通信中，每一个字符要用起始位和停止位标志字符传输的开始与结束，占用了时间。在同步传输中，去掉这些控制位，把字符顺序地连接起来，组成一个数据块，这样的数据块称为一个纪录。在纪录的开始加同步字符，在纪录的末尾加出错校验字符，形成帧。~~~~同步字符同步字符数据数据数据校验码校验码同步字符的格式和个数根据需要而定。

在同步方式中，接收器接收数据时，首先搜索同步字符，在得到同步字符后，才开始装配数据。（五）串行通信的校验方法

串行通信主要适用于远距离通信，因而噪声和干扰较大，为了保证高效而无差错地传送数据，对传送的数据进行校验就成了串行通信中必不可少的重要环节。常用的校验方法有：奇偶校验、循环冗余校验（CRC）。•

这种校验方法主要用于对一个字符的传送过程进行校验。•

发送时：在每一个字符的最高位后都附加一个奇偶校验位，使发送的每个字节中’1’的个数为奇数或偶数；•

接收时：检查所接收的字符连同奇偶校验位，’1’的个数是否符合双方的事先约定；•

奇偶校验可以检查出一个字节中发生的单个错误。•

奇偶校验不能自动纠错，发现错误后需“重传”。1.奇偶校验例：发送数据如下，如采用偶校验，校验位应填入“1”还是“0”？

11010100011

111起始位数据位校验位停止位空闲位停止位1

•

以数据块(帧,Frame)为单位进行校验编码思想：将数据块构成的位串看成是系数为0或1的多项式如110001，可表示成多项式x5+x4+1

数据块构成的多项式除以另一个多项式G(x)，得到的余数多项式

R(x)就称为CRC码(或称为校验和)，而G(x)则称为生成多项式。

常用的生成多项式：CRC12=x12+x11+x3+x2+1CRC16=x16+x15+x2+1CRC32=x32+x26+x23+x22+x16+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1CRC校验的检错方式收发双方约定一个生成多项式G(x)(其最高阶和最低阶系数必须为1)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除；接收方收到后，用G(x)去除它，若有余数，则传输有错。2.循环冗余校验CRC(循环冗余码/多项式编码)三、串行接口原理发送时：从CPU来的并行数据由发送数据寄存器接收，然后送至移位寄存器，一位一位地输出至TxD。接收时：从RxD来的串行数据先进入移位寄存器RxSR，变成并行的，然后输入给接收数据寄存器RxDR,由数据总线输送到CPU。RxDTxD1.异步串行接口的基本结构TxC

=Td/K(TxC=RxC)

其中，K称作波特率因子。K=16、32或64。

在串行通信中，无论收发都必须有时钟脉冲信号对传送的数据进行定位和同步控制。接收时钟/发送时钟是波特率的倍数——波特率因子。发送时钟周期TxC、接收时钟周期RxC与数据时钟周期Td的关系：8个16个16个

若K=16，在每一个时钟周期的上升沿采样接收数据线，若发现了第一个“0”（因数据的起始位为“0”），以后若又连续采样到8个“0”，则确定其为起始位（而不是干扰信号），以后每隔16个周期采样一次数据线，作为输入数据。状态寄存器状态1.奇偶校验错（ParityError）接受器按照约定的方式，检查接收到的每一个字符的“1”的个数，若不符合要求，则置这个标志，发出奇偶校验错误信息。帧错误（FrameError）若接收到的字符格式不符合规定的帧格式，则置帧错误信息。溢出（OverrunError）当CPU不能将接收数据寄存器中的信息及时取走，后续的数据就不能从移位寄存器中送入接收寄存器，但接收移位寄存器一直在操作，就会将先前的数据冲掉，产生溢出错。2.同步串行接口的基本结构与异步接口的主要区别：定时硬件、校验逻辑、字符与字符同步所需要的逻辑。由于每个字符没有起始和停止位，必须用同步检测比较器实现对接收的字符器同步作用。由多个寄存器组成的先进先出缓冲器。时钟分离电路四、串行接口Intel82511.基本功能：(1)可用于同步和异步传送：同步方式：波特率0-64Kbps，每字符为5，6，7，8位，可使用内部同步检测和外部同步检测，能自动插入同步字符。异步方式：波特率0-19.2Kbps，每字符可为5，6，7，8位，自动增加起始位、停止位和校验位。时钟速率为波特率的1，16和

64倍。(2)完全双工，双缓冲器接收器和发送器；(3)出错检测：具有奇偶、溢出和帧错等检测电路。

能够完成上述“串—并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”（UART：UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter）,典型的芯片有：Intel8250/8251。2.功能结构(并

串)(并

串)

异步发送方式当允许发送信号TxEN（由程序设置）和CTS有效时，开始发送：发送器为每一个字符加一个起始位，并且按程序要求加入奇偶位、停止位，以波特率的1、16或32的发送频率将数据发送到TxD。(1)发送命令寄存器

同步发送方式当允许发送信号TxEN（由程序设置）和CTS有效时，开始发送：发送器根据编程要求，发送一个或两个同步字符，然后发送数据块。在发送数据块时，发送器会根据编程要求对数据块中的每个数据加上奇偶校验位（或不加）。

当发送缓冲器为空时，TxRDY信号（发送器准备好信号）为高电平，8251已做好发送准备，CPU可以为其提供需要发送的字符。该信号使状态寄存器TxRDY置位，CPU可以通过查询此位，确定是否向8251传送数据。中断方式传送用中断方式发送数据时，TxRDY信号可以作为中断请求信号。

不管用查询还是中断方式，当8251从CPU获得一个字符后，TxRDY信号变低。状态寄存器TxC、RxC:8251没有内置的波特率发生器，必须由外部产生建立波特率的时钟信号，TXC、RXC通常与8253连接。查询方式传送异步接收方式

8251在RxD线上检测到一个低电平信号，将其作为起始位，启动其控制电路中的计数器（计数脉冲即为8251的接收脉冲），当计数到半个数位的传输时间，再次检测RxD线，若还是低电平，则确认收到一个起始位，于是8251开始进行常规采样（每隔一个数位的传输时间）并装配字符。数据进入移位寄存器，并进行奇偶校验，去掉停止位，变成并行数据送入接收数据缓冲器，同时发出RxRDY信号，表示已收到一个可用数据。对于少于8位的数据，8251将其高位填上0。(2)接收(1)实现同步

8251检测RxD线，当RxD上出现一个数据位时，将其接收下来送入移位寄存器，然后将其与同步字符寄存器的内容进行比较，若两者不相等，则其不是数据；若两者相等，则SYNDET引脚线号为高，告知同步已经实现。（采用双同步字符时，要进行两次比较）。在CPU执行一次读操作后，SYNDET变为低电平。

(2)接收数据

实现同步后，接收器和发送器之间开始进行数据的同步传输。每当收到的数据位达到一个字符的数位时，将其从移位寄存器中送入输入缓冲寄存器，并在RxRDY引脚上发出一个信号，表示收到了一个字符。

(3)外同步

在外同步时，通过在同步输入端SYNDET加一个高电位来实现同步。只要SYNDET为高，8251便认为完成同步，开始装配数据。同步接收方式

当接收缓冲器满时，RxRDY信号（接收器准备好信号）为高电平，CP可以将数据取走。该信号使状态寄存器RxRDY置位，CPU可以通过查询此位，确定是否向8251传送数据。中断方式接收用中断方式发送数据时，RxRDY信号可以作为中断请求信号。

不管用查询还是中断方式，当CPU从8251读取一个字符后，RxRDY信号变低。状态寄存器查询方式接收DTR——数据终端准备好，8251送往外设的信号，通知外设，CPU准备就绪；DSR——数据通信设备准备好，外设送往8251

的信号，表示外设准备好；RTS——请求发送，8251送往外设的信号；CTS——允许发送，对RTS的响应信号，由外设送往8251，表示“发送允许”。(3)调制/解调控制电路计算机MODEMMODEM计算机或终端

信道（传输线路）串行接口串行接口DTEDCEDTEDCE当串行口与调制解调器相连时：

DTR和DSR分别表示计算机和调制解调器的状态信号；

RTS和CTS可用作一对握手联络信号。当串行口与外设（或计算机）相连时：

DTR和DSR、RTS和CTS可用作两对握手联络信号。计算机计算机或终端串行接口串行接口DTEDTE计算机MODEMMODEM计算机或终端

信道（传输线路）串行接口串行接口DTEDCEDTEDCE3.编程结构方式

接收数据缓冲器

发送数据缓冲器命令A0(C/D)RDWR端口地址

001接收数据寄存器

010发送数据缓冲器

101状态寄存器

110命令字（方式字寄存器、命令字寄存器）

(1)方式选择字异步方式同步方式同步方式0=内同步

1=外同步同步字符个数

0=双同步字符

1=单同步字符(2)命令字(3)状态字RxRDY溢出错，OE=1时，表示接收器已经接收到一个字符，但CPU尚未取走，因此造成数据丢失。校验错外设数据准备好。(4)初始化编程流程方式方式命令4.8251与CPU的数据交换(1)查询方式采用查询方式，在数据交换前应读取状态寄存器。状态寄存器D0=1，CPU可以向8251数据端口写入数据，完成串行数据的发送；状态寄存器D1=1，CPU可以从8251数据端口读出数据，完成一帧数据的接收。(2)中断方式8251没有单独的中断请求引脚：TxRDY引脚可以作为发送中断请求

RxRDY引脚可以作为接收中断请求收发均采用中断方式时，TxRDY、RxRDY可以通过或门与系统总线的中断请求线连接。在CPU响应中断转到ISP中时，再对状态寄存器进行查询，以区分是发送中断还是接收中断。(3)8251编程示例例：编写8251异步模式下的接收和发送程序，完成256个字符的发送和接收，设端口地址：208H，209H，波特率因子16，1起始位，1停止位，无奇偶校验，每字符8位。LEADI,Buf1MOVDX,209HMOVAL,40H ；复位命令

OUTDX，ALMOVAL，01001110B ；方式选择字

MOVDX，ALMOVAL，00110111B ；工作命令字

OUTDX，ALMOVCX，256 ；发送256字节NEXT：MOVDX,209HINAL，DX ；状态字

ANDAL，01H；TxRDY？

JZNEXTMOVAL，[DI]MOVDX，208HOUTDX，AL ；发送

INCDILOOPNEXT发送程序接收程序接收256字节，放在buf2中ANDAL，02H;RXRDY？JZNEXTMOVDX，208HINAL，DX;接收1字符MOVbuf[SI]，ALINCSILOOPNEXTDatasegmentbuf2DB256dup(?)Dataends┆MOVDX,209HMOVAL,40H;复位

OUTDX，ALMOVAL，0100,1110B;方式字

OUTDX，ALMOVAL，0011,0111B;命令字

OUTDX，ALMOVCX，256 ;接收256字节

MOVSI，0NEXT：MOVDX，209HINAL，DX;状态字五、异步通信的BIOS功能调用——INT14H

功能入口参数出口参数(1)

AH=0

初始化串行口AL=初始化参数AH=通信线路状态

DX=串行口号（0-2）AL=MODEM状态

AL中需设置参数为：

功能入口参数出口参数

(2)

AH=1

发送字符AL=欲发送字符AH=通信线路状态

DX=串行口号（0-2）(AH)7=1表示传送失败

(3)

AH=2

接收字符DX=串行口号（0-2）AH=通信线路状态

(AH)7=1表示传送失败

AL=接收到的字符(4)

AH=3

读串行口状态DX=串行口号（0-2）AH=通信线路状态

AL=MODEM状态六、标准串行接口

为了使不同的计算机、外部设备都能正确连接，这个接口其：

机械特性、电气特性、功能特性都要遵循一定的规范，也就是要有一个标准。1.RS-232C串行接口串行通讯系统计算机MODEMMODEM计算机或终端

信道（传输线路）串行接口串行接口DTEDCEDTEDCERS-232C（