微机接口技术第3章

1、微机接口技术,第三章 串行通信及接口电路,3.1 串行通信基础 3.1.1 串行通信 数据通信的基本方式可分为并行通信与串行通信两种，串行通信是指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。其特点是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，降低了成本，特别适用于远距离通信；缺点是传输速度慢。串行通信用于计算机与终端之间以及计算机与计算机之间的通信，是构成计算机网络的基础。串行通信还广泛用于计算机与串行打印机、鼠标器、绘图仪、传真机、键盘、远距离数据采集等外围设备之间的信息传送。,串行通信使设备之间的连线减少了，但也带来一些问题，如串行数据与并行数据的相互转换等问题，这使串行通信比并行通信较为复杂

2、。虽然串-并转换可用软件实现。但其速度慢，且占用CPU大量时间，影响系统的性能。更为方便的实现方法是用硬件，目前常用的微处理机串行接口芯片有：通用的异步接收/发送器(UART)和异步通信接口适配器(ACIA)等。,3.1.2 串行通信方式 根据同步方式的不同，串行通信又分为异步通信(ASYNC)与同步通信(SYNC)两种方式。 (1) 异步通信及其协议 异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔是不固定的，但在同一个字符中的两个相邻位代码间的时间间隔是固定的。异步通信在计算机数据传输中用得较多，它的控制电路比较简单，适用于传输数据量较小的系统。,起始位：当要发送一个字符数据时，先

3、发出一个逻辑”0”信号，表 示传输字符的开始。该位的持续时间是波特率的倒数。, 数据位：它紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码，也可采用EBCD码、电报码等。从最低位开始传送，靠时钟定位。, 奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。, 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。接收设备收到停止位之后，通讯线便又恢复逻辑“1”状态，直至下一个字符数据的起始位到来。, 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。,通信协议又称通信

4、规程，是控制数据传送的有关规定，发送方与接收方必须共同遵守。异步通信采用电报通信中的电传打字机(TTY)规程，下图是异步串行通信的数据信息格式，其中各位的意义如下：,异步通信要求在发送每一个字符时都要在数据位的前面加上1位起始位，在数据位后面要有1位或15位或2位的停止位。在数据位和停止位之间可以有1位奇偶校验位，数据位可以为5-8位长。字符之间允许有不定长度的空闲位。 传送开始后，接收设备不断地检测传输线，当在测到一系列的“1”之后检测到一个“0”，就确认一个字符开始，于是以位时间(1/波特率)为间隔移位接收规定的数据位和奇偶校验位，拼装成一个字符的并行字节。 这之后应接收所规定位长的停止位

5、“1”，若没有收到即为“帧出错”。只有既无帧出错又无奇偶错才算正确地接收到一个字符。一个字符接收完毕，接收设备又继续测试传输线，监视“0”电平的到来和下一字符的开始。,异步通信是按字符传输的，接收设备在收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步就能正确接收。若接收设备的时钟和发送设备的时钟略有偏差的话，字符之间的停止位和空闲位将为这种偏差提供一种缓冲。换言之，异步通信并不是不要同步，而是要在一个短时间内同步，正因为要求同步的时间短；就允许收发之间的时钟频率可略有偏差，这也不会因累积效应而导致错位。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准。 波特率是衡量数据传送速率的指标。表示

6、每秒钟传送的二进制位数。例如传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位，则传送的波特率为101201200位/秒1200bit/s。波特率和有效数据位的传送速率并不一致，上述10位中，真正有效的数据位只有7位，所以，有效数据位的传送速率只有7120840位/秒。,(2) 同步串行通信及其规程 同步通信以一个帧为传输单位，每个帧中包含有多个字符。在通信过程中，每个字符间的时间间隔是相等的，而且每个字符中各相邻位代码间的时间间隔也是固定的。 同步通信的数据格式如下图所示。它是以帧为单位传送的，帧内由一个字符序列组成。每个字符取相同的位数；字符之间是连续的，没有起始位和停止位，也不能有空隙。在帧

7、前面置有1至2个同步字符，作为帧的边界和通知对方接收的标志。后面是校验字符，用于校验数据传输中出现的差错。 在进行数据传输时，发送方和接收方要保持完全同步，用同一时钟来触发双方移位寄存器的移位操作。在近距离通信时可以在传输线上加一根时钟信号线；在远距离通信时可通过解调器从数据流中提取同步信号，在接收方用锁相环电路，可以得到和发送时钟完全相同的时钟信号。,3.1.3 数据传送方式 在串行通信中，数据传送是在两个通讯方之间进行的，根据数据传送方向的不同有以下三种方式。,(1) 单工方式 只允许数据按照一个固定的方向传送，即一方只能作为发送站，另一方只能作为接收站。 (2) 半双工方式 数据能从A站

8、传送到B站，也能从B站传送到A站，但是不能同时在两个方向上传送，每次只能有一个站发送，另一个站接收。通信双方可以轮流地进行发送和接收。 (3) 全双工方式 允许通信双方同时进行发送和接收。A站在发送的同时也可以接收，B站亦同。全双工方式相当于把两个方向相反的单工方式组合在一起，因此它需要两条传输线。,A,B,A,B,A,B,3.1.4 信号传输方式 (1) 基带传输方式 在传输线路上直接传输不加调制的二进制信号。它要求传送线的频带较宽，传输的数字信号是矩形波。由于线路中存在着电感、电容及漏电感、漏电容等分布参数，矩形波通过传输线后会发生畸变、衰减和延迟而导致传输的错误。信号的频率越高、传输的距

9、离越远这种现象则越严重，因此基带传输方式仅适宜于近距离和速度较低的通信。,(2) 频带传输方式 频带传输方式又称为载波传输方式。在远距离通信时，通常是利用电话线传输的。电话线的频带在300HZ3400HZ之间，由于频带不宽，用它来直接传输数字信号时，就会出现畸变失真，但用它来传送一个频率为1000Hz2000Hz的模拟信号时，则失真较小。在长距离通信时，发送方要用调制器把数字信号转换成模拟信号，接收方则用解调器将接收到的模拟信号再转换成数字信号，这就是信号的调制解调。,实现调制和解调任务的装置称为调制解调器(MODEM)。采用频带传输时，通信双方各接一个调制解调器，将数字信号寄载在模拟信号(载

10、波)上加以传输。因此，这种传输方式也称为载波传输方式。这时的通信线路可以是电话交换网，也可以是专用线。 常用的调制方式有三种：调幅、调频和调相。,3.1.5 串行接口标准 串行接口标准指的是计算机或终端(数据终端设备DTE)的串行接口电路与调制解调器MODEM等(数据通信设备DCE)之间的连接标准。在计算机网络中，由它构成网络的物理层协议。下面介绍RS-232C标准。 RS-232C标准是与TTY规程有关的接口标准，也是目前普遍采用的一种串行通信标准，它是美国电子工业协会于l969年公布的数据通信标准。该标准定义了数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间的连接器形状、连接信号的含义及其电压信

11、号范围等参数。,微型计算机之间的串行通信就是按照RS-232C标准设计的接口电路实现的。如果使用一根电话线进行通信，那么计算机和MODEM之间的连线就是根据RS-232C标准连接的。, 信号线 RS-232C标准规定接口有25根连线。虽然其中的绝大部分信号线均已定义使用，但在一般的微型计算机串行通信中，只有以下9个信号经常使用，这些引脚和功能分别如下： TXD（第2脚）：发送数据线，由计算机到MODEM。计算机通过此引脚发送数据到MODEM。 RXD（第3脚）：接收数据线，由MODEM到计算机。MODEM将接收下来的数据通过此引脚送到计算机或终端。,RS-232C是一种标准接口，它是一个D型插

12、座，采用25芯引脚或9芯引脚的连接器，如图所示。, （第4脚）：请求发送，由计算机到MODEM。计算机通过此引脚通知MODEM，要求发送数据。 （第5脚）：允许发送，由MODEM到计算机。MODEM可以发送数据时，通过此引脚发出作为对 的回答，然后计算机才可以进行发送数据。 （第6脚）： 数据装置就绪 (即MODEM准备好)，由MODEM到计算机。表示调制解调器可以使用(即表明MODEM已打开并已工作在数据模式下)，该信号有时直接接到电源上，这样当设备连通时即有效。,RS-232C是一种标准接口，它是一个D型插座，采用25芯引脚或9芯引脚的连接器，如图所示。, CD（第8脚）：载波检测(接收线

13、信号测定器)，由MODEM到计算机。当此信号有效时，表示MODEM已接收到通信线路另一端MODEM送来的信号，即它与电话线路已连接好。 RI（第22脚）：振铃指示，由MODEM 到计算机。MODEM 若接到交换台送来的振铃呼叫信号，就发出该信号来通知计算机或终端。 (第20脚)：数据终端就绪，由计算机到MODEM。计算机收到RI信号后，就发出该信号到MODEM作为回答，以控制它的转换设备，建立通信链路。 GND（第7脚）：地,RS-232C是一种标准接口，它是一个D型插座，采用25芯引脚或9芯引脚的连接器，如图所示。, 逻辑电平 RS-232C标准采用EIA电平，即规定“1”的逻辑电平在-3V

14、-15v之间，规定“0”的逻辑电平在+3V+15V之间，高于+15V或低于-15V的电压被认为无意义，介于+3V和-3V之间的电压也无意义。 对于TXD、RXD这两根数据信号线，EIA的逻辑“1”和“0”就表示数字信号的“1”和“0”。对 、 、 、 、CD等控制状态信号线，则恰好是EIA的逻辑“0”为信号的有效状态，即开关的接通(ON)状态，此时电平值为+3V+15V。RS-232C采用这样的逻辑电乎标准主要是为了防止干扰，一般在30米距离内可以进行正常信号传输。 由于EIA电平与TTL电平完全不同，因此，为了与TTL器件连接，必须进行相应的电平转换，通常采用专用的芯片来完成这项任务。MCl

15、488可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MCl489则可完成EIA电平到ITL电平的转换。 除了RS-232C标准以外，还有一些其它的通用的串行接口标准，如RS-422,RS-449等。,3.2 可编程串行接口芯片8251A 8251A是可编程的串行通信接口芯片，它可以管理信号变化范围很大的串行数据通信。有下列基本性能： 1) 通过编程，可以工作在同步方式，也可以工作在异步方式。同步方式下，波特率为064K，异步方式下，波特率为019.2K。 2) 在同步方式下，每个字符可以用5、6、7或8位来表示，并且内部能自动检测同步字符，从而实现同步。除此之外，8251A也允许同步方式下增加奇/偶校

16、验位进行校验。 3) 在异步方式下，每个字符也可以用5、6、7或8位来表示，时钟频率为传输波特率的1、16或64倍，用1位作为奇/偶校验。8251A在异步方式下能自动为每个数据增加1个启动位，为每个数据增加1个、1.5个或2个停止位。可以检查启动位，自动检测和处理终止字符。 4) 全双工的工作方式，其内部提供具有双缓冲器的发送器和接收器。 5) 提供出错检测，具有奇偶、溢出和帧错误等校验电路。,3.3 8251A的内部结构 8251A是Intel公司的产品，采用双列直插式封装，28个引脚。它的内部结构如下图所示。由结构图可看出，8251A的内部包含有发送器、接收器、数据总线缓冲器、读/写控制电

17、路和调制解调控制电路等五大部分。,3.3.1 发送器 发送器由发送缓冲器和发送控制电路两部分组成。CPU需要发送的数据经数据发送缓冲器并行输入锁存到发送缓冲器中。如果是采用异步方式，则由发送控制电路在其首尾加上起始位和停止位，然后从起始位开始，经移位寄存器从数据输出线TXD逐位串行输出，其发送速率取决于TXD端收到的发送时钟频率。如果是采用同步方式，则在发送数据之前，发送器将自动送出1个(单同步)或2个(双同步)同步字符，然后才逐位串行输出数据。 当发送器作好接收数据准备时，由发送控制电路向CPU发出了TXRDY有效信号，CPU可立即向8251A并行输出数据。如果CPU与8251A之间采用中断

18、方式交换信息，那么TXRDY可作为向CPU发出的中断请求信号。当发送器中的8位数据串行发送完毕时，由发送控制电路向CPU发出TXE有效信号，表示发送器中移位寄存器已空。因此，发送数据缓冲器和发送移位寄存器构成发送器的双缓冲结构。,3.3.2 接收器 接收器由接收缓冲器和接收控制电路组成。接收移位寄存器用来从RXD引腿上接收串行数据，按照相应格式转换成并行数据后存入接收缓冲器。而接收控制电路则配合接收缓冲器工作，管理有关接收的所有功能。 当8251A工作在异步方式并准备接收一个字符时，在RXD线上检测到的低电平作为起始位，并启动接收控制电路中的一个内部计数器进行计数，计数脉冲就是8251A的接收

19、器时钟脉冲。当计数进行到相应于半个数位传输时间(比如时钟脉冲为波特率的16倍，则计到第8个脉冲时，再对RXD线进行检测，如果此时仍为低电平，则确认收到一个有效的起始位。 8251A开始进行常规采样，数据进入输入移位寄存器移位完成字符装配，并进行奇偶校验和去掉停止位，变成了并行数据后，再通过内部数据总线送到数据输入寄存器，同时发出RXRDY信号送CPU，表示已经收到一个可用的数据。,在同步接收方式下，8251A首先搜索同步字符。具体地说，8251A监测RXD线，每当RXD线上出现一个数据位时，就把它接收下来并把它送入移位寄存器移位，然后把移位寄存器的内容与同步字符寄存器的内容进行比较，如果两者不

20、相等，则接收下一位数据，并且重复上述比较过程。当两个寄存器的内容比较相等时，8251A的SYNDET引腿就升为高电平，表示同步字符已经找到，同步已经实现。如采用双同步方式，就要在测得输入移位寄存器的内容与第一个同步字符寄存器的内容相同后，再继续检测此后输入移位寄存器的内容是否与第二个同步字符寄存器的内容相同。如果相同，则认为同步已经实现。,在外同步情况下，由于是通过在同步输入端SYNDET加一个高电位来实现同步的， SYNDET端一出现高电平，8251A就会立刻脱离对同步字符的搜索过程，只要此高电位能维持一个接收时钟周期，8251A便认为已经完成同步。实现同步之后，接收器和发送器间就开始进行数

21、据的同步传输。 接收器利用时钟信号对RXD线进行采样，并把收到的数据位送到移位寄存器中。每当收到的数据位达到规定的一个字符的数位时，就将移位寄存器的内容送到输入缓冲寄存器，并且在RXRDY引脚上发出一个信号，表示收到了一个字符。,3.3.3 数据总线缓冲器 数据总线缓冲器是8251A与CPU之间进行交换信息的必经之路，或者说它是CPU与8251A之间的数据接口。它内部包含3个8位的缓冲寄存器，其中两个寄存器分别用来存放CPU向8251A读取的数据或状态信息，CPU执行IN指令可从这两个寄存器中分别读取数据或状态字。一个寄存器用来存放CPU向8251A写入的数据或控制字，CPU执行0UT指令可向

22、8251A写入，但由于两者合用一个缓冲器，这就要求CPU向8251A写入控制字时，该寄存器中不能存放将要发送的数据，为此系统中必须采取措施。,3.3.4 读/写控制电路 读/写控制电路用来配合数据总线缓冲器的工作。具体看，它有如下功能： (1)接收写信号，并将来自数据总线的数据和控制字写入 8251A； (2)接收读信号，并将数据或状态字从8251A送往数据总线； (3)接收控制/数据信号C/ ，将此信号和读/写信号配合起来 通知8251A，当前读/写的是数据还是控制字、状态字； (4)接收时钟信号CLK完成8251A的内部定时； (5)接收复位信号RESET，使8251A处于空闲状态。,3.

23、3.5 调制解调控制电路 调制解调控制电路用来简化8251A和调制解调器的连接。在进行远程通信时，要用调制器将串行接口送出的数字信号变为模拟信号，再发送出去，接收端则要用解调器将模拟信号变为数字信号，再由串行接口送往计算机主机。在全双工通信情况下，每个收发站都要连接调制解调器。有了调制解调控制电路，就提供了一组通用的控制信号，使得8251A可以直接和调制解调器连接。,3.4 8251A的引脚功能 8251A的引脚分配图所示。作为CPU和外部设备(或调制解调器)之间的接口，8251A的对外信号可以分为两组：一组是8251A和CPU之间的信号，一组是8251A和外部设备(或调制解调器)之间的信号。

24、,8251A与CPU及外设的连接,8251A只有两个连续的端口地址，数据输入端口和数据输出端口合用同一个偶地址，而状态端口和控制端口合用同一个奇地址。在8086/8088系统中，将地址线A1/A0和8251A的C/ 端相连，利用地址线A1/A0来区分奇地址端口和偶地址端口。当A1/A0为低电平时，选中偶地址端口，再与或配合，实现对数据的读/写；A1/A0为高电平时，则选中奇地址端口，再与或配合，实现状态信息的读取和控制信息的写入。,3.5 8251A的编程 8251A是一个可编程的通用串行通信接口芯片,具体使用时，用户必须对它进行初始化编程。 编程的内容包括两大方面：一方面是由CPU发出的控制

25、字，即方式选择控制字（也称为模式字）和操作命令控制字（也称为控制字）；另一方面是由8251A向CPU送出的状态字。下面分别加以说明。,3.5.1 方式选择控制字（模式字）,3.5.2 操作命令控制字（控制字） 该命令字的作用是确定8251A的实际操作，通过编程使8251A处于某种工作状态，以便接收或发送数据。,3.5.3 状态字 8251A执行命令进行数据传送后的状态存放在状态寄存器中，通常称其为状态字。CPU通过读操作读入825lA的状态字进行分析和判断，了解8251A的工作状况，以便决定下一步该怎么做。,3.5.4 8251A的初始化 由于8251A仅有两个端口地址，8251A对它的初始化

26、过程进行了如下约定。 (1) 芯片复位以后，第一次用奇地址端口写入的值作为模式字进入模式寄存器。 (2) 如果模式字中规定了8251A工作在同步模式，那么，CPU接着往奇地址端口输出的1个或2个字节就是同步字符，同步字符被写入同步字符寄存器。如果有两个同步字符，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) 只要不是内部复位命令，不管是在同步模式还是在异步模式下，由CPU用奇地址端口写入的值将作为控制字送到控制寄存器，而用偶地址端口写入的值将作为数据送到数据输出缓冲寄存器。,3.4 通用串行接口标准 3.4.1 通用串行接口USB ( Universal Serial

27、Bus 通用串行总线) 1) USB的产生： USB是外设总线标准，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Northern Telecom共同开发的，给PC的外部带来计算机外设的即插即用。 USB消除了将卡安装在专用的计算机插槽并重新配置系统的需要，同时也节省了宝贵的系统资源，如中断IRQ。装备了USB的个人计算机，实现了计算机外设物理连接就能自动地进行配置，不必重启动或运行设置程序。 USB还允许多达127个设备同在一台计算机上运行，作为外设，例如监视器和键盘就好像插入式的站点或集线器。USB电缆、连接器和外设可用图符进行标志。,Intel成为USB的主要

28、支持者，所有他们的PC芯片组，从PIIx3开始，南桥部件中(曾与430Hz Triton II一起使用)已经将包含USB支持作为标准。六家别的公司与Intel一起共同开USB，建立 了一个USB实现者论坛，借以开发、支持 USB结构。,2) USB的接口标准： USB是一个通过简单四线连接的12Mb/s (1.5MB/s)接口。总线采用分层星形拓扑结构支持多达127台设备，全部建立在扩展集线器上，集线器可以置留在PC中、任一个USB外设中,也可以是一个独立的集线器盒。注意尽管标准允许多达127台设备相连，他们将必须共享1.5MB/s的带宽，这就是说每增加一台设备总线速率就会降低一些。在实际实现

29、中很少有人会一次连接8台以上的设备。,USB设备是集线器或功能设备，或同时是两者。集线器为USB提供了额外的连接点，允许连接外加的集线器或功能设备。功能设备指的是连接到USB上去的各个设备，例如键盘、鼠标、照相机、打印机、电话等。在PC机系统单元上的初始端口称作根集线器，他们是USB的起始点。大多数主板有两个USB端口，任何一个都可以连到功能设备或附加的集线器。 USB接口有两种不同的连接器，称为A系列和B系列。大多数主板上的USB端口通常是A系列连接器。物理的USB插头是小型的。,3) USB的接口规范： USB遵从Intel的即插即用(PnP)规范，用户只要简单地插入设备，PC机中的USB控制器就可以检测设备，自动地判断并分配所需的资源和驱动程序。 USB支持热插拔，这就是说设备能在不关闭电源或重新启动系统时动态地插拔。 USB所连接的设备都由USB总线供电。USB的PnP特性使系统按照外设对电源的需求查询所连接的外设，并且当可用电源水平超过时发出一个警告。 USB规范可自我识别外设，这个特性大大简化了安装，因为完全不用为每个外设设置唯一的ID或标识符，它们都由USB自动处理了。 USB接口只需要PC机的一个中断，可以连接多达127个设备，而不需要像分别接口那样地使用离散的中断。 Microsoft开发了USB驱动程序，并将它们自动地包含在Windows 95C