微型计算机原理与接口技术课件 第05章 串行通信及接口

第5章串行通信及接口第5章串行通信及接口串行通信的基本概念串行通信标准可编程串行接口芯片INS8250USB接口标准USB接口芯片CH375串行通信的基本概念数字信号的并行传输和串行传输D0D7STRACK017017CP1CP2CPUOUTXXXH，ALINAL，XXXHCPU10100011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。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5~8位字符奇/偶校验位停止位间隔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。017CP1数据017017编码017时钟解码CP数据编码技术数字数据模拟数据数字传输模拟传输曼彻斯特/差分~编码调制解调PCM调制解调（频分复用）数据编码技术-数字数据的数字编码数据编码技术-数字数据的模拟编码技术串行通信标准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。IEEE1394：FireWire－“火线”RS-232-CDTE(DataTerminalEquipment)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(DataCircuit-terminatingEquipment)是数据电路端接设备，它在DTE和传输线路之间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-3V~-25V，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），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-449-C的电气特性

RS-232-C：单端输出单端输入，共用一个地线，抗干扰能力较差。15M以内21Kbps。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±3.6V~±6V,输入门限电压为-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±2V~±6V,输入门限电压为-0.2V~+0.2V。10m以内可达10Mbps。TDRDTDRDTDRDRS-232-CRS-423ARS-422ARS-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。TDRDRS-485RD发送控制接收控制接收控制RDTD发送控制……TD发送控制接收控制8250引脚信号（40pin）

D0~D7、A0~A2、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、XTAL2：外部时钟输入输出。RCLK/BAUDOUT#：接收/发送时钟信号。OUT1#、OUT2#：用户指定输出端。INTRPT：中断请求信号。MR：复位信号。

D0~D7D0~D7A0~A2A0~A2DOSTR#DISTR#IOW#IOR#…A3A4A9AENMRCS2#RSOSCXTAL1OUT2INTR5VIRQ4SOUTSINDTRDSRRTSCTSRIRLSDRCLKBAUDOUT82508250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IIRMODEM控制寄存器MCRMODEM状态寄存器MSRRBR接收移位LCRDLRH/LTHRMCRMSRIERIIR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线路状态寄存器LSR中断允许寄存器IER中断识别寄存器IIRMODEM控制寄存器MCRMODEM状态寄存器MSR8250在PC机中的应用-硬件设计

PC/XT中采用两片Ins8250PC/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）。

D0~D7D0~D7A0~A2A0~A2DOSTR#DISTR#IOW#IOR#…A3A4A9AENMRCS2#RSOSCXTAL1OUT2INTR5VIRQ4SOUTSINDTR#DSR#RTS#CTS#RI#RLSD#RCLKBAUDOUT8250MC1488MC1489GND3F8H-3FFH8250在PC机中的应用-软件设计

发送程序SENDC：接收程序RECEC：初始化程序I8250:LCR7=1

DLRH/L=除数因子

LCR=ALIER=0

返回DTR、RTS=1

THR=ALCTS，DSR=1？THR=1？返回DTR、RTS=1

CTS，DSR=1？LSR0=1？AL=RBR返回YYNNNNYYUSB的概念USB是一种支持主计算机与多个可同时访问的外部设备之间进行数据交换的总线。所连接的外部设备通过主机调度和令牌协议的方式共享USB带宽。该总线允许外部设备在其它外设运行的情况下连接、配置、应用或断开。USB的主要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接口供电传输距离在全速传输时(使用4芯电缆)连接距离为5mUSB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。。Hub是星形拓扑结构的中心，每段线路都是点到点的连接。根据USB1.1协议标准，可以支持4个Hub级联，最多可以连接127个外设，通过7位的地址字段进行寻址。PC主机系统HUBHUB….….鼠标MODEM….摄像头打印机….USB总线通信模型USB系统由主机和USB设备组成主机包括主控制器、USB系统软件和用户软件USB设备包括USB接口、USB逻辑设备和功能部件USB的传输方式控制（Control）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（Isochronous）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（Interrupt）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的电气连接特性USB的电气连接特性USB收发器USB收发器VccD+D-15kΩGNDVcc15kΩ1.5kΩ主机/HUB下行口USB设备/HUB上行口GNDVccD+D-GND*:低速设备是将电阻接到D-端上USB传输信号状态：

D+>Voh,D-<Vol为差分“1”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

0110101000100110IdleDataNRZIJK*：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6个连续的“1”后插入一个“0”，从而强迫NRZI码发生变化。*：接收端则对接收的数据进行解码，即每收到每6个连续的“1”就删除后面的“0”，如有7个连续的“1”，则认为出现位插入错误，并忽略该数据包（EOP前除外）。每个USB包的PID字段都紧跟在SYNC字段后面，PID由4位的包类型字段和4位的校验字段组成包类型字段：包的类型和格式校验字段：用于包错误检测PID字段功能部件的端点用ADDR字段和ENDP字段进行寻址ADDR字段和ENDP字段由11位二进制组成，最大值为7FFH，每发送一帧加1，可循环使用。帧号只能在每一帧开始处SOF令牌中发送。（这里1帧即一个数据包）帧号（FN）字段CRC字段被用来对令牌包和数据包中的所有非PID字段进行校验。在位填充之前，在发送器中CRC由各自的字段产生，并作为CRC字段一起发送。在填充位被去除之后，在接收器中CRC被用于对数据进行校验。失败的CRC指出了保护字段中至少有一个字段被损坏，并导致接收器忽略那些字段，且在大部分情况下忽略整个包。循环冗余校验(CRC)字段USB总线传输协议USB属于轮询方式，主控制器启动所有的数据传输。PID（8）ADDR（7）ENDP（4）

CRC5（5）PIDCRC5(5)PIDCRC16(16)PIDPIDADDRENDPCRC5FrameNumber（11）令牌包帧开始包数据包握手包特殊包DATA（0~1023)DATA0、DATA1ACK、NAK、STALLUSBType-CUSBType-C，也称USB-C，指的是一种USB接口样式，此外还有其他接口样式，如Type-A、Type-BType-C只是USB3.1标准的一部分，主要规定了连接器的接口标准，并不是新的协议标准。Type-C既可以应用于主设备，也可以应用于从设备。USB4向下相容，USB2.0、USB3.0、USB3.1、USB3.2等，并可以兼容Thunderbolt3。USB

PDUSBPD是USB-IF（USBImplementersForum）组织公布的功率传输协议，该协议将默认最大功率5V/2A的USBType-C接口提高到100W，是主流的快充协议之一PD透过USB线缆和连接器增加电力输送，扩展USB应用中的线缆总线供电能力，并可以自由地改变电力的输送方向PD和Type-C其实是两码事，PD是一种快速充电协议，而Type-C则是一种新的接口规范USB4USB4是目前最新的版本，具有以下新功能USB4只采用Type-C接口，USB4信号为双通道传输；而之前的版本采用Type-A接口或Type-B接口，且仅支持单通道传输USB4最快传输速度可达40Gbps，并可同时传输DP信号。USB4将多种协议组合到单个物理接口，各类设备可以动态共享USB4架构的整体速度和性能USB4向下相容USB2.0、USB3.0、USB3.1、USB3.2等，并可以兼容Thunderbolt3。USB4的体系结构USB4主要由路由器（router）、适配器（adapter）以及时间管理单元（timemanagementunit，TMU）构成路由器是USB4的一个主要建构模块，路由器将隧道协议转换成USB4数据包传送，并通过时间管理单元来做时间同步。主要由USB主机内建的连接管理器（connectionmanager）进行检测及管理适配器在路由器内部，是路由器与外部部件通信的载体，进行协议转换。例如，当USB4主机在传输USB3数据时，由内部USB3主机透过USB3适配器将其协议封装成USB4隧道数据包。一个路由器内部最多可以支持64个适配器时间管理单元在路由器内部，是每个路由器的功能模块USB4的分层结构USB4的功能堆栈层最上级是协议适配器层和配置层，两者互不干扰；下一级是传输层；最后一级是物理层。物理层自上而下又分为逻