串行通信和串行接口课件

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串行通信和串行介面

28.1.1串行通信串行通信：數據通過一條數據線，一位一位地傳輸，通常是先傳數據的低位，再傳高位，每1位數據都佔據一個固定的時間長度。並行通信：8位或16位數據通過多條數據線同時傳送電腦電腦或外設並行通信電腦電腦或外設串行通信3串行通信與並行通信比較：串行通信並行通信通信距離適於遠距離傳輸（幾米到幾公里）適於近距離傳輸（一般<30米）通信速率長距離通信時速率高短距離通信時速率高抗干擾性強弱轉換需要並/串轉換和串/並轉換（通過移位寄存器或軟體實現）不需要轉換48.1.2數據傳送方式 按照數據流的方向，串行通信分成三種方式：單工：只能單方向傳送資訊。如鍵盤與主機之間。半雙工：可以雙向傳送資訊；由於通過同一個通道傳送資訊，所以同一時刻只能單向傳送；全雙工：採用兩條通道，可以同時發送和接收資訊。如電腦之間的通信。TR（a）單工TR（a）全雙工RTTT（a）半雙工RR58.1.3串列傳輸速率和收/發時鐘串列傳輸速率：是衡量數據線上路上傳輸速率的單位。指每秒鐘傳輸的二進位位數，以位/秒（b/s）表示。也稱為數據位率（b/s）。位週期：數據傳輸速率的另一種表示，它是串列傳輸速率的倒數。國際上規定了一個標準串列傳輸速率系列：300、600、1200、1800、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200。（單位：b/s）收/發時鐘：收/發時鐘指串行介面內時鐘頻率（串行介面內時鐘頻率與數據傳輸速率不同）。收/發時鐘頻率=n

串列傳輸速率 （n—串列傳輸速率係數，一般取1、16、32和64）68.1.4信號調製解調電腦之間通信是數字通信，傳送的是數字信號，在串行通信的數據線上表現為方波。為了使數據在傳送中不產生畸變，要求傳輸線具有很寬的頻帶。當利用電話線遠距離通信時，不可能有這樣寬的頻帶。若直接用數字信號通信，經過長距離傳輸，信號必將畸變，以至於接收方無法正確識別，因此需要把數字信號轉換為模擬信號。將數字信號轉換為模擬信號的方法稱為調製(Modulate)。接收方收到這個模擬信號後，再把它轉換成數字信號，稱為解調（Demodulate）。進行調製和解調的設備稱為數據機,又稱為MODEM，它既可以實現調製，又可以實現解調。7調製方式分為三種：調幅ASK(AmplitudeShiftKeying)：用兩種振幅來代表0、1調頻FSK(FrequencyShiftKeying)：用兩個固定頻率來表示0、1調相PSK(PhaseShiftKeying)：用頻率振幅相同但相位不同的兩個信號來表示0、1圖8.3調製和解調示意圖電話線

電腦MODEMMODEM電腦或外設(DCE)

(DTE)

(DTE)

(DCE)

數字信號

數字信號

RS-232C介面

RS-232C介面

信號地

信號地

模擬信號

1

0

1

0

1

1

0

1

0

1

8數據終端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）DTE(DataTerminalEquipment)：指使用數據的設備，可以是電腦或外設，它負責對數據通信進行控制，包括數據收/發、差錯控制、同步和識別通信站點等。DCE(DataCommunicationEquipment）：指數據通信設備，一般是MODEM，或其他一些通信外設。它負責在實際的資料鏈路上進行通信控制，包括鏈路的建立、維持、終止、數據信號變換與編碼等。DTE之間的通信：近距離通信時可以直接互連；遠距離通信時通常要通過DCE的連接來實現。98.1.5差錯控制數據通信中，由於系統軟/硬體故障或外界干擾，數據傳送過程中將會出現錯誤，因而接收方必須進行錯誤檢測和糾正。誤碼率：定義：數據經傳輸後，發生錯誤的位數與總傳輸位數之比，稱為誤碼率。例：某通信系統傳輸一幀資訊共2000位，傳輸過程中有2位發生錯誤，則其 誤碼率=2/2000=0.1%10常用檢錯、糾錯方法：奇偶校驗：主要用於對1個字元的傳送過程進行檢驗。發送時（一般是最低位D0先發送），在每個字元最高位之後加入1位“1”（或“0”），使發送的字元中“1”的個數為奇數（奇校驗）或偶數（偶校驗）例：字元‘A’（ASCII碼為41H）發送時：迴圈冗餘（CRC）校驗：主要用於對數據塊（即多個字元）的傳送過程進行校驗。100000101100000100奇校驗偶校驗字元數據位（41H）校驗位D0D1D2D3D4D5D6D7118.2串行通信協議通信協議：指通信雙方對數據傳送控制的一種約定。約定中包括對數據格式、同步方式、傳送速率、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字元定義等問題作統一規定，通信雙方必須共同遵守。串行通信有兩種基本方式：非同步串行通信非同步串行通信協議同步串行通信同步串行通信協議12非同步串行通信和同步串行通信特點：非同步通信和同步通信必須共同遵守一些協定。發送方和接收方必須具有相同的數據傳送格式（同步或非同步）、起始標誌、結束標誌、校驗標誌、通信速率等。非同步串行通信同步串行通信在通信的數據流中，字元間非同步，字元內各位間同步。在通信的數據流中，字元與字元之間以及字元內部的位與位之間都必須保持同步。資訊傳送單位（1幀數據）為1個字元，即1幀數據中只包括1個字元的有效數據。字元與字元之間通信沒有嚴格定時要求。資訊傳送單位（1幀數據）為數據塊（字元塊），即1幀數據中包括1個或多個字元的有效數據。138.2.1非同步串行通信協議傳輸前為空閒狀態“1”，一旦變為“0”狀態，則作為起始位。後面為5～8個資訊位，由低往高排列，資訊位後面是奇/偶校驗位。最後是為“1”的停止位，兩個字元之間的傳輸間隔是任意的，用空閒位隔開。一個字元0/1奇偶校驗起始位0停止位1、1.5、2位10/10/10/10/10/10/10/1數據流向低位高位有效數據5~8位圖8.6非同步通信格式148.2.2同步串行通信協議同步通信：將許多字元組成一個資訊組（稱為幀），字元一個接一個地傳輸，在每幀的開始處加上同步字元，沒有資訊傳輸時，填上空字元，同步傳輸不允許字元與字元之間有間隙。同步字元數據CRC1CRC2一幀（單同步）同步字元同步字元數據CRC1CRC2（雙同步）一幀地址控制數據CRC1CRC20111111001111110（SDLC/HDLC格式）一幀圖8.8同步通信格式158.3串行介面標準 8.3.1RS-232C標準

8.3.2RS-449與RS-422/485介面 8.3.3幾種標準的比較8.3.1RS-232C標準 RS-232C是EIA（ElectronicsIndustriesAssociation）組織推薦的、目前最常使用的一種串行通訊介面標準。1.RS-232C信號線定義2.RS-232C簡單應用3.RS-232C電氣特性161.RS-232C信號線定義RS232-C介面有25個引腳,22根信號線（3根未用），其中，與串行通信密切相關的有9根.2（3） 發送數據TxD(TransmittedDATA)

3（2） 接收數據RxD(ReceivedDATA) 4（7） 請求發送RTS(RequestToSend) 5（8） 允許發送CTS(ClearToSend) 20（4）DTE準備好DTR(DataTerminalReady)

6（6）DCE準備好DSR(DataSetReady) 8（1） 載波檢測CD(CarrierDetect) 22（9）振鈴指示RI(RingIndicate)

DTEDCE7（5） 信號地SG(SignalGround) 電腦MODEMDB-25型連接器引腳（在DB-9中的引腳）17本地連接：TxD：發送數據（負邏輯電平）RxD：接收數據（負邏輯電平）SG：信號地RTS：請求發送（“0”電平有效）。DTE設備作好了發送數據準備，向DCE輸出請求信號，詢問是否可以開始發送數據。CTS：允許發送（“0”電平有效）。DCE收到RTS後，在DCE做好了數據接收準備後，向DTE送回CTS信號。18遠程通信應答和呼叫:DTR：DTE準備就緒（“0”電平有效）。DTE設備的就緒標誌，通常在加電後，發出DTR有效信號。DSR：DCE準備就緒（“0”電平有效）。DCE收到DTR有效信號後，向DTE送出DSR信號作為應答，以表示DCE裝置就緒。此時DTE和DCE之間建立了一條鏈路，但通道是否接通，應由CTS指示。CD：載波檢測（“0”電平有效）。DCE裝置轉告DTE設備收到載波，即檢測到接收電路上有信號，表明線路上正在進行通信。RI：振鈴指示。DCE裝置通知DTE正在接收振鈴信號，即有遠方的裝置正在呼叫本方。19DTE和DCE之間一次通信應答和發送過程：DTE向DCE發出DTR信號（表明DTE準備就緒，要求建立與DCE的連接）DCE收到後，向DTE回答DSR信號（表明DCE也準備就緒，此時DTE和DCE之間建立了一條物理通道）DTE發數據時，先向DCE發送RTS信號（表明DTE準備發送，此時，DTE的TxD端為空閒狀態“1”）DTE撤銷RTS後，DCE也撤銷CTS（一次通信結束，DTE的TxD端又變為空閒狀態）DTE發完後，若不想再發送則撤銷RTSDTE收到CTS後，將在TxD端口上發出數據DCE回答CTS信號（表明DCE允許發送）DCE在RxD端上接收數據DTEDCE202.RS-232C簡單應用用於長距離通信（>=15m），圖8.11用於短距離通信（<15m）需要狀態信號線（圖8.12，圖8.14）不需要狀態信號線（圖8.13）圖8.11電話網DTEDCE電腦或終端MODEM或其他DCEPGTxDRxDRTSCTSDSRCDDTRRISG123456820227DTEDCE電腦或終端MODEM或其他DCEPGTxDRxDRTSCTSDSRCDDTRRISG12345682022721DTE電腦或終端PGTxDRxDRTSCTSDSRDTRSG圖8.12兩DTE之間直接相連DTE電腦或終端PGTxDRxDRTSCTSDSRDTRSG123456207123456207DTE電腦或終端PGTxDRxDRTSCTSCDDTRSG圖8.14兩DTE之間直接相連DTE電腦或終端PGTxDRxDRTSCTSCDDTRSG123456207123456207DSRDSR22DTE電腦或終端TxDRxDSG圖8.13兩DTE之間直接相連（無狀態線）DTE電腦或終端TxDRxDSG237237233.電氣特性有效電平:數據線TxD和RxD上,邏輯“1”為-3V～-15V，邏輯“0”為+3V～+15V（負邏輯）。控制線RTS,CTS,DSR,DTR及CD上,信號有效電平為+3～+15V.電平轉換:RS-232C採用EIA電平,與TTL電平不同,因而在TTL與EIA電平之間需要用介面電路進行轉換,轉換後的EIA電平通過DB-25型連接器(或DB-9型連接器)與外界相連。接口RS-232C（EIA電平）TTL輸出TTL輸入MC1489MC1488DB-25(或DB-9)DB-25型連接器DB-9型連接器248.4可編程串行介面晶片8251A8.4.18251A基本性能8.4.28251A內部結構8.4.38251A外部引腳功能8.4.48251A編程8.4.58251A應用舉例258.4.18251A基本性能可用於同步和非同步傳送。同步傳送：5

8bit/字元，內部或外部同步，可自動插入同步字元。非同步傳送：5

8bit/字元，時鐘頻率為通信串列傳輸速率的1，16或64倍。可產生終止字元（1，1.5或2位停止位），可檢查假啟動位，自動檢測和處理終止字元。串列傳輸速率：DC

19.2Kb/s（非同步），DC

64Kb/s（同步）全雙工，雙緩衝發送和接收器。具有奇偶、溢出和幀錯誤等檢測電路。與Intel8080，8085，8086及8088CPU相容。268.4.28251A內部結構數據匯流排緩衝器D7~D8串→並轉換接收緩衝器RXDRESETCLK讀／寫控制邏輯電路C／DRDWRCS調製/解調控制電路DSRDTRCTSRTS內部總線發送緩衝器並→串轉換TXD接收控制電路RXRDYRXCSYNDET發送控制電路TXCTXEMPTXRDY圖8.318251A的內部結構框圖27接收器：在RxC作用下，接收RxD引腳上的幀格式化數據，將其轉換成並行數據，同時進行校驗。若發現錯誤則在狀態寄存器中保存以便CPU處理；若校驗無錯則將並行數據放到數據匯流排緩衝器中，並使RxRDY=1，通知CPU讀取數據。常見錯誤類型有： 奇偶校驗錯、幀錯誤、溢出（丟失）錯誤。發送器：首先將待發送的並行數據轉換成所要求的幀格式並加上校驗位，然後在TxC作用下將數據由TxD引腳1位1位地串行發送出去。發送完1幀數據後使TxRDY=1，通知CPU發送下一個數據。28數據匯流排緩衝器：三態雙向8位緩衝器，它使8251A與系統數據匯流排相連接。讀/寫控制邏輯電路：用來配合數據匯流排緩衝器工作，即：寫信號WR：有效時將來自CPU的數據和控制字寫入8251A；讀信號RD：有效時將數據或狀態字從8251A送往數據匯流排；C/D信號：將此信號和讀/寫信號合起來通知8251A，當前讀/寫的是數據還是控制字、狀態字；時鐘信號CLK：完成8251A的內部定時；複位信號RESET：使8251A處於空閒狀態。調製解調控制電路：用來簡化8251A和數據機的連接，提供了一組通用的控制信號，使得8251A可以直接和數據機連接。298.4.38251A外部引腳功能1.8251A和CPU之間的連接信號

RESET：當該引腳上出現6倍時鐘寬的高電平信號時，8251A被複位，處於空閒狀態。CLK：為8251A內部電路提供時鐘。同步時應大於收發時鐘的30倍，非同步時應大於收發時鐘的4.5倍。

片選信號數據信號D7～D0

讀/寫控制信號

具體操作001（CPU）數據匯流排

8251A數據

010（CPU）數據匯流排

8251A數據101（CPU）數據匯流排

8251A狀態

110（CPU）數據匯流排

8251A控制命令30圖7-78251A與CPU及外設的連接關係解碼D7~D0M／IOCSABA0C／DRDRDWRWRTXRDYTXERXRDYSYNDETRESET80868251A外設（MODEM）DTRDSRRXDCTSRTSTXDCLKTXC計數器／定時器ＲXC312.MODEM控制信號

DTR—DTE準備好（輸出，低電平有效），CPU通過命令可使之有效，通知外部設備，CPU已準備就緒。DSR—DCE準備好（輸入，低電平有效），表示當前外設已經準備好。CPU通過讀取狀態寄存器的D7位來實現對信號的檢測。RTS—請求發送信號（輸出，低電平有效），CPU可以通過編程命令使變其為有效電平，通知DCE，CPU已準備發送數據。CTS—清除請求發送（輸入，低電平有效），是對RTS的回應信號，當其有效時8251A才能執行發送數據操作。323.發送器有關信號

TXD—發送數據。CPU送往8251A的並行數據被轉變為串行數據後，通過TXD送往外設。TXRDY—發送器準備好信號，高電平有效。有效時表示發送緩衝器空，CPU可以向晶片送入新數據。若為中斷方式，則作為中斷請求信號；若為查詢方式，可作聯絡信號。TXE—發送器空信號，高電平有效，用來表示此時8251A發送器中沒有要發送的字元；當CPU送入一個字元時被複位。TxC—發送時鐘，控制8251A發送字元的速度。非同步時：為數據速率的1、16或64倍；同步時與數據速率相同。334.接收器有關信號RXD—接收外設送來的串行數據，數據進入8251A後被轉變為並行數據送到數據匯流排緩衝器。RXRDY—接收器準備好信號，高電平有效，表示已從外設接收到一個字元，正等待CPU取走。中斷方式時，作為中斷請求信號；查詢方式時，用來作為聯絡信號。SYNDET—同步和終止信號。工作在同步方式時用做同步檢測端（檢測到同步字元，則SYNDET便變為高電平）；非同步時用做終止檢測輸出。RxC

—接收時鐘，控制8251A接收字元的速度。時鐘速率規定與TxC相同，一般將TxC和RxC連在一起，用同一時鐘源。348.4.48251A編程8251A編程命令：1.方式指令字方式指令字分為4組：同步/非同步字元位數（5、6、7、8位）奇偶校驗（奇、偶、無校驗）非同步方式下的停止位位數（1、1.5、2位），或同步方式內同步（1、2個同步字元）、外同步方式指令字：指定通信方式、數據格式命令指令字：指定某種操作（如發送、接收）或處於 某種狀態（如DTR），以便發送/接收數據狀態字：確定8251當前內部狀態。358251A方式指令字D7D6D5D4D3D2D1D0工作方式及串列傳輸速率選擇00：同步方式01：非同步方式，串列傳輸速率係數=110：非同步方式，串列傳輸速率係數=1611：非同步方式，串列傳輸速率係數=64非同步方式字元位數選擇00：5位01：6位10：7位11：8位奇偶校驗方式設定X0：無奇偶校驗位01：奇校驗11：偶校驗若為非同步方式(D1，D0≠00)設定停止位的位數01：1位停止位10：1.5位停止位11：2位停止位若為同步方式(D1，D0=00)設定同步方式00：內同步，2個同步字元10：內同步，1個同步字元X1：外同步362.命令指令字TxEN(TransmitEnable):發送允許，D0=1,允許進行並/串轉換併發送；D0=0禁止發送。DTR(DataTerminalReady):數據終端就緒,D1=1,置/DTR引腳有效0電平；D1=0，置/DTR無效。RxE(ReceiveEnable):接收允許,D2=1允許CPU讀數據輸入緩衝器的內容；D2=0，禁止接收。EHIRRTSERSBRKRXEDTRTXEND7D6D5D4D3D2D1D037SBRK(SendBreakcharacter)：發中止字元，D3=1，迫使TxD

引腳發空號；D3=0，正常操作.ER(ErrorReset):錯誤標誌複位,D4=1，使錯誤標誌PE、OE、FE複位；RTS(RequestToSend)：請求發送，D5=1，迫使/RTS引腳為有效電平。IR(InternalReset)：內部複位，D6=1，重新開始設置模式寄存器，即回到初始化編程階段；D6=0正常進行。EH(EnterHuntmode)：進入搜索同步字元模式，D7=1，搜索同步字元。38說明：上述方式指令和命令指令都是由CPU寫入8251A同一個端口，8251A採用對寫入次序進行控制的方法來區分兩種指令。複位以後，第一次向奇地址端口寫入的值作為方式選擇控制字進入模式寄存器。如果模式字中規定了8251A工作在同步模式，那麼，CPU接著往奇地址端口輸出的1個或2個位元組就是同步字元，同步字元被寫入同步字元寄存器（如果有兩上同步字元，則會按先後分別寫入第一個和第二個同步字元寄存器）。這之後，不管是同步模式還是非同步模式，由CPU向奇地址端口寫入的值將作為控制字送到控制寄存器，而用偶地址端口寫入的值將作為數據送到數據輸出緩衝寄存器。393.狀態字DSRSYNDETFEOEPETXERXRDYTXRDYD7D6D5D4D3D2D1D040PE(ParityError)：奇/偶校驗錯。D3=1，有奇/偶校驗錯；D3=0無奇/偶校驗錯。OE(OverrunError)：數據覆蓋錯，接收移位寄存器將數據輸入緩衝器中尚未被CPU讀取的數據覆蓋而產生的錯誤，D4=1，產生數據覆蓋。FE(FramingError)：幀出錯，檢測不到幀停止位的錯誤，僅用於非同步幀方式，D5=1時產生幀錯誤。SYNDET:內同步字元檢測位，D6=1：檢測到同步字元；D6=0：未檢測到同步字元。DSR:數據設備準備好。由DSR引腳信號設置。D7=1，DSR引腳信號有效低電平。DSR狀態位與/DSR引腳信號狀態相反。414.CPU經8251A與外設可靠收/發數據的條件可靠接收：設置：控制寄存器中的DTR和RxE（D1D2=11）接收條件:RxRDY

引腳信號為高電平(中斷方式)；或狀態寄存器中的RxRDY（D1為1）（查詢方式）。檢錯條件：狀態寄存器中的PE、OE、FE位都為0才表明無錯誤。可靠發送：設置：控制寄存器中的TxEN

及RTS（D0D5＝11)。發送條件：TxRDY引腳信號為高電平(用於中斷方式），或狀態寄存器中的TxRDY(D0位為1）（查詢方式）428251A初始化流程圖8.368251A初始化流程圖是同步方式？輸出通信方式選擇命令字兩個同步字元？複位？傳送完？輸出工作命令字傳送數據輸出第一個同步字元是否否否複位操作是輸出第二個同步字元是否是438.4.58251A應用舉例例1：8251A非同步方式初始化編程設8251A工作在非同步通信方式，字元為8位，偶校驗，2位停止位，傳輸率為9600波特，發送接收時鐘TxC和RxC接153.6kHz，8251A端口地址為C0H、C2H。初始化編程如下：串列傳輸速率係數=153600/9600=16由於是非同步方式，因此只需要向8251送方式選擇字（奇地址端口）和工作命令字（奇地址端口）方式選擇字為：11111110：

2位停止位，偶校驗，8位數據，係數1644工作命令字：要求首先複位所有出錯標誌，請求發送/RTS有效，數據終端就緒/DTR有效，發送允許TxEN有效，接收允許RxE有效（全雙工）。

即工作字為：001

10111外同步內部複位RTS有效複位出錯標誌不發連續空號RxE有效DTR有效TxEN有效由於8251端口地址為C0H、C2H，因此，8251的偶地址是C0H，奇地址實際上是C2H

初始化編程為：

MOV AL， 1111,110B OUT 0C2H, AL MOV AL, 0011,0111B OUT 0C2H, AL45例2：查詢8251A狀態字，實現非同步方式串行接收100個數據，放入BUFFER緩衝區，接收完後，發送一個結束標誌字元給對方。通信格式同例1。解：8251編程約定，在初始化之前，先送3個0到奇地址，再送40H將8251A複位，之後，才進行初始化設置。要用軟體不斷檢測RxRDY標誌位（讀奇地址），看是否接收到一個字元；若接收到字元，還要判斷標誌