第6章(上) 串并行通信和接口技术

1、第6章(上),串并行通信和接口技术,6.2串行接口和串行通信,教学重点串行接口与通信概述8251的内部结构和编程通信规程和通信标准,6.2.1串行接口与通信概述,数据通信的基本方式可分为并行通信与串行通信两种：并行通信：是指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送。特点：是传输速度快，适用于短距离通信。串行通信：是指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。特点：是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。,一、并行通信和串行通信,二、串行通信基础,串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号线，一位一位顺序传送的方式串行通信的优势：用于通信的线路少，因

2、而在远距离通信时可以极大地降低成本串行通信适合于远距离数据传送，也常用于速度要求不高的近距离数据传送PC系列机上有两个串行异步通信接口、键盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送,1.异步通信,串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协议是起止式异步通信协议,起止式异步通信协议,起始位每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平,数据位数据位紧跟着起始位传送。由58个二进制位组成，低位先传送,校验位用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不

3、传送校验位,停止位表示该字符传送结束。停止位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位,空闲位传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行传送,数据传输速率,数据传输速率也称比特率（BitRate）每秒传输的二进制位数bps字符中每个二进制位持续的时间长度都一样，为数据传输速率的倒数当进行二进制数码传输，且每位时间长度相等时，比特率还等于波特率（BaudRate）过去，串行异步通信的数据传输速率限制在50bps到9600bps之间。现在，可以达到115200bps或更高,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，

4、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,3.数据传送方式,全双工,半双工,单工,(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。这时，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。（在计算机串行通讯中主要使用半双工和全双工方式）,

5、3.数据传送方式（续）,4.信号传输方式,1基带传输方式基带传输方式仅适宜于近距离和速度较低的通信。,在传输线路上直接传输不加调制的二进制信号，如图所示。它要求传送线的频带较宽，传输的数字信号是矩形波。,4.信号传输方式（续）,2频带传输方式传输经过调制的模拟信号在长距离通信时，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

6、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，分别如下图所示。,4.信号传输方式（续）,5.调制解调器,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,6.2.1串行接口的标准,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。,一、串行接口标准RS-232C,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

7、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,一、RS-232C标准（续）,RS-232C是一种标准接口，D型插座，采用25芯引脚或9芯引脚的连接器，如图所示。,连接及通信原理,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。其连接及通信原理如图所示。,1.RS-232C的引脚定义,232C接口标准使用一个25针连

8、接器绝大多数设备只使用其中9个信号，所以就有了9针连接器232C包括两个信道：主信道和次信道次信道为辅助串行通道提供数据控制和通道，但其传输速率比主信道要低得多，其他跟主信道相同，通常较少使用,RS-232C的引脚（1）,TxD：发送数据串行数据的发送端RxD：接收数据串行数据的接收端,RS-232C的引脚（2）,RTS：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CTS：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

9、信号,RS-232C的引脚（3）,DTR：数据终端准备好通常当数据终端设备一加电，该信号就有效，表明数据终端设备准备就绪DSR：数据装置准备好通常表示数据通信设备（即数据装置）已接通电源连到通信线路上，并处在数据传输方式DTR和DSR也可用做数据终端设备与数据通信设备间的联络信号，例如应答数据接收,RS-232C的引脚（4）,GND：信号地为所有的信号提供一个公共的参考电平CD：载波检测（DCD）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RI：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,RS-232C的引脚（5）,保护

10、地（机壳地）起屏蔽保护作用的接地端，一般应参照设备的使用规定，连接到设备的外壳或大地TxC：发送器时钟控制数据终端发送串行数据的时钟信号RxC：接收器时钟控制数据终端接收串行数据的时钟信号,2.RS-232C的连接,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,连接调制解调器,不使用联络信号的3线相连方式,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,“伪”使用联络信号的3线相连方式,RTS和CT

11、S各自互接，DTR和DSR各自互接表明请求传送总是允许、数据装置总准备好,使用联络信号的多线相连方式,通信比较可靠所用连线较多，不如前者经济,3.RS-232C的电气特性,232C接口采用EIA电平高电平为3V15V低电平为3V15V实际常用12V或15V,标准TTL电平高电平：2.4V5V低电平：0V0.4V,相互转换,6.3可编程串行通信接口8251A,串行传输，需要并行到串行和串行到并行的转换，并按照传输协议发送和接收每个字符（或数据块）这些工作可由软件实现，也可用硬件实现通用异步接收发送器UART是串行异步通信的接口电路芯片IBMPC/XT机的UART芯片是INS8251后来使用NS1

12、6550,6.3.18251A的基本性能,8251A是可编程的串行通信接口芯片，基本性能：1两种工作方式：同步方式，异步方式。同步方式下，波特率为064Kbps，异步方式下，波特率为019.2Kbps。2同步方式下的格式每个字符可以用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/偶校验位进行校验。,6.3.18251A的基本性能(续）,3异步方式下的格式每个字符也可以用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。1个启动位。并能根据编程为每个数据增加1个、1.5个或2个停止位。可以检查假启

13、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、溢出和帧错误三种校验电路。,6.3.28251A的基本工作原理,8251实现了起止式串行异步通信协议，支持全双工通信通信字符可选择数据位为58位停止位1、1.5或2位可进行奇偶校验具有奇偶、帧和溢出错误检测电路,1.8251A的编程结构,8251A有：1个数据输入缓冲寄存器1个数据输出缓冲寄存器1个发送移位寄存器1个接收移位寄存器1个控制寄存器1个状态寄存器1个模式寄存器2个同步字符寄存器。,图6.58251A的编程结构和外部连接,SYNDET,TxD,TxE,RxD,GND,Vcc

14、,+5v,模式寄存器,同步字符寄存器,同步字符寄存器,控制寄存器,接收移位寄存器,串行输入,时钟,数据输入缓冲器,数据输出缓冲器,发送移位寄存器,串行输出,CLK,D0D7,8286（可选）OET,TxRDY,RxRDY,RESET,控制总线,地址总线,数据总线,译码,A0,延迟,各部件的功能说明,数据输入缓冲寄存器和数据输出缓冲寄存器使用同一个端口地址；接收移位寄存器将到达RxD端的串行数据接收后进行移位，变为8位并行数据，传送到数据输入缓冲寄存器；发送移位寄存器将数据输出缓冲寄存器的并行数据变为串行数据，然后，从TxD端送往外部设备。,控制寄存器用来8251A的工作，它的内容是由程序设置的

15、。状态寄存器则在8251A的工作过程中为执行程序提供一定的状态信息。模式寄存器的内容决定了8251A到底工作在同步模式还是工作在异步模式，还决定了接收和发送的字符的格式；2个同步字符寄存器用来容纳同步方式中所用的同步字符。,各部件的功能说明（续）,2.8251A的内部工作原理,（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。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。,TxD,发送器输出,启动位,数据位,校验位,停止位,D0D1Dn,由8251A产生,发送格式,（1）发送器（异步方式）,在异步发送方式下，当程

16、序置允许发送位TxEN为1，并且由外设发来的对CPU请求发送信号的响应信号CTS有效后，便开始发送过程。在发送时，发送器为每个字符加上1个起始位，并且按照编程要求加上奇偶校验位以及1个、1.5个或者2个停止位。数据及起始位、校验位、停止位总是在发送时钟TxC的下降沿时从8251A发出。数据传输的波特率为发送时钟频率的1、1/16或者1/64，具体决定于编程时给出的波特率因子。,采用同步方式，则在发送数据之前，发送器将自动送出1个或2个同步字符，然后才逐位串行输出数据。,（1）发送器（同步方式）,发送格式,TxD线上的串行输出数据,（1）发送器（同步方式）续,在同步发送方式下，也要在程序置TxE

17、N为1，且CTS有效后，才能开始发送过程。发送过程开始后，发送器先根据编程要求发送1个或者2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，也可不加。在同步发送时，若CPU不能及时提供新数据时，发送器会自动插入同步字符，满足在同步发送方式时不允许数据之间存在间隙的要求。,如果CPU与8251A之间采用中断方式交换信息，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。,（1）发送器（补充说明）,串行数据的发送,双缓冲寄存器结构保证数据的连续

18、发送,（2）接收器,接收器由接收缓冲器和接收控制电路两部分组成。接收移位寄存器从RxD引腿上接收串行数据转换成并行数据后存入接收缓冲器。,（2）接收器(异步方式),异步方式：在RxD线上检测低电平，将检测到的低电平作为起始位，并启动内部计数器进行计数，当计数到相应于半个数位传输时间（波特率的一半）时，又对RxD线进行检测，若仍为低电平，则确认收到一个有效的起始位。8251A开始每隔一个数位传输时间，对RxD进行一次采样，完成字符装配；数据进入输入移位寄存器被移位，并进行奇偶校验和去掉停止位，变成了并行数据后，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。,注：

19、在异步接收时，有时会遇到这样的情况，既8251A在检测起始位时，过半个数位传输时间后，没有再次测得低电平。这种情况下，8251A就会把刚才检测到的信号看成干扰脉冲，于是重新开始检测RxD线上是否又出现低电平。,（2）接收器(异步方式)续,RxD,接收器输入,D0D1Dn,不出现在数据总线上,启动位,数据位,校验位,停止位,接收格式,起始位的检测,起始检测,确定已检测到起始位,采样数据,数据接收时钟频率是数据传输频率的16倍正确识别起始位，防止因干扰引起的误识别,同步方式：首先搜索同步字符。8251A监测RXD线，每当RXD线上出现一个数据位时，接收下来并送入移位寄存器移位，与同步字符寄存器的内

20、容进行比较，如果两者不相等，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升为高电平，表示同步字符已经找到，同步已经实现。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。,（2）接收器(同步方式),在外同步情况下，同步输入端SYNDET加一个高电位来实现同步的。实现同步之后，接收器和发送器间就开始进行数据的同步传输。这时，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。在RXRDY引脚上发

21、出一个信号，表示收到了一个字符。,（2）接收器(同步方式)续,串行数据的接收,双缓冲寄存器结构保证数据的连续接收,（3）数据总线缓冲器,数据总线缓冲器是CPU与8251A之间的数据接口。包含3个8位的缓冲寄存器：两个寄存器分别用来存放CPU向8251A读取的数据或状态信息。一个寄存器用来存放CPU向8251A写入的数据或控制。,（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。功能如下：接收写信号，并将来自数据总线的数据和控制字写入8251A；接收读信号，并将数据或状态字从8251A送往数据总线；接收控制/数据信号C/，高电平时为控制字或状态字；低电平时为数据。接收时钟信号CL

22、K完成8251A的内部定时；接收复位信号RESET，使8251A处于空闲状态。,（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,6.3.38251A的引脚,（1）片选信号CS：片选信号，它由CPU的地址信号通过译码后得到。（2）数据信号D0-D7：8位，三态，双向数据线，与系统的数据总线相连。传输CPU对8251A的编程命令字和8251A送往CPU的状态信息及数据。,1.8251A和CPU之间的连接信号,(3)读/写控制信号RD：读信号，低电平时，CPU当前正在从8251A读取数据或者状态信息。WR：写信号，低电乎时，CPU当前正在往8251A写入数据或者控制信息

23、。C/D：控制/数据信号，用来区分当前读/写的是数据还是控制信息或状态信息。该信号也可看作是8251A数据口/控制口的选择信号。由此可知，RD、WR、C/D这3个信号的组合，决定了8251A的具体操作，它们的关系如表6-2所示：注：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。,1.8251A和CPU之间的连接信号（续）,(4)收发联络信号TxRDY：发送器准备好信号，用来通知CPU，8251A已准备好发送一个字符。TxE：发送器空信号，TXE为高电平时有效，用来表示此时8251A发送器中并行到串行转换器空，说明一个发送动作已完成。RxRDY：接收器准备好信

24、号，用来表示当前8251A已经从外部设备或调制解调器接收到一个字符，等待CPU来取走。因此，在中断方式时，RXRDY可用来作为中断请求信号；在查询方式时，RXRDY可用来作为查询信号。SYNDET：同步检测信号，只用于同步方式。,1.8251A和CPU之间的连接信号（续）,2.8251A与外部设备之间的连接信号,(1)收发联络信号DTR：数据终端准备好信号，通知外部设备，CPU当前已经准备就绪。DSR：数据设备准备好信号，表示当前外设已经准备好。RTS：请求发送信号，表示CPU已经准备好发送。CTS：允许发送信号，是对的响应，由外设送往8251A。实际使用时，这4个信号中通常只有必须为低电平，

25、其它3个信号可以悬空。,2.8251A与外部设备之间的连接信号（续）,(2)数据信号TxD：发送器数据输出信号。当CPU送往8251A的并行数据被转变为串行数据后，通过TXD送往外设。RxD：接收器数据输入信号。用来接收外设送来的串行数据，数据进入8251A后被转变为并行方式。,2.8251A与外部设备之间的连接信号（续）,（3）时钟、电源和地8251A除了与CPU及外设的连接信号外，还有电源端、地端和3个时钟端。CLK：时钟输入，用来产生8251A器件的内部时序。同步方式下，大于接收数据或发送数据的波特率的30倍，异步方式下，则要大于数据波特率的4.5倍。TxC：发送器时钟输入，用来控制发送

26、字符的速度。同步方式下，TxC的频率等于字符传输的波特率，异步方式下，TxC的频率可以为字符传输波特率的1倍、16倍或者64倍。,RxC:接收器时钟输入，用来控制接收字符的速度，和TxC一样。在实际使用时，RxC和TxC往往连在一起，由同一个外部时钟来提供，CLK则由另一个频率较高的外部时钟来提供。VCC：电源输入GND：地,2.8251A与外部设备之间的连接信号（续）,18251内部有哪些寄存器？分别举例说明它们的作用和使用方法。28251内部有哪几个端口？它们的作用分别是什么？38251的引脚分为哪几类？分别说明它们的功能。,习题与思考：,回顾：8251A的内部结构，8251A的引脚功能。

27、本讲重点：8251A的编程，8251A应用举例。,6.3.4可编程串行接口芯片8251A,编程的内容包括两大方面：是由CPU发出的控制字，即方式选择控制字和操作命令控制字；是由8251A向CPU送出的状态字。,18251A的编程,（1）方式选择控制字（模式字）,方式选择控制字的格式如图所示。,（2）操作命令控制字（控制字）,操作命令控制字的格式如下：,（3）状态字,状态字的格式如下：,例如，若要查询8251A接收器是否准备好，则可用下列程序段完成：MOVDX，0FFF2H；状态口L：INAL，DX；读状态口ANDAL，02H；查Dl1？即准备好了吗？JZL；未准备好，则等待MOVDX，OFFF

28、0H；数据口INAL，DX；已准备好则输入数据,28251A的初始化,(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，(3)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。流程图如右图：,6.3.58251A应用举例,1异步模式下的初始化程序举例,模式字和控制字都必须写入“奇”地址端口，假设为42H；设置模式字时，设定了字符用7位二进制数表示，带1个偶校验位、2个停止位；异步模式下必须给出波特率因子为16。控制字设为37H，它清除出错标志，即让出错指示处于初

29、始状态，并使请求发送信号处于有效电平；此外，这个控制字使数据终端准备好信号DTR处于有效电平，以通知调制解调器，CPU已准备就绪；使发送允许信号TxEN为高电平，从而让发送器处于启动状态；控制字37H还使接收允许位RxE为1，从而让接收器也处在启动状态,11111010,模式字FAH,00111110,控制字37H,MOVAL，0FAH；送模式字MOVDX，0042HOUTDX，AL；异步方式，7位/字符，偶校验，2个停止位，波特率因子16MOVAL，37H；设置控制字，使发送、接收允许，清出错标志，使RTS、DTR有效OUTDX，AL；,2同步模式下的初始化程序举例,模式字和控制字都必须写入

30、“奇”地址端口，假设为42H；按照初始化流程，程序往此端口中设置的数据依次作为模式字、同步字符和控制字。模式字为38H，它规定同步字符的数目2个，采用内同步模式，偶校验、7位数据。控制字设为97H，它使8251A对同步字符进行检索；同时使状态寄存器中的3个出错标志复位；此外，使82151A的发送器启动，接收器也启动；控制字还通知8251A，CPU已准备好进行数据传输。,00111000,模式字38H,10011110,控制字97H,MOVAL，38H；送模式字MOVDX，0042H；同步方式，7位数据位，偶校验，2个停止位OUTDX，ALMOVAL，16H；两个同步字符均为16HOUTDX，A

31、LOUTDX，ALMOVAL，97H；设控制字，使发送器启动，接收器启动，并设置其他有关信号OUTDX，AL,3两台微型计算机通过8251A相互通信的举例,通过8251A实现相距较远的两台微型计算机相互通信的系统连接简化框图如下。这时，利用两片8251A通过标准串行接口RS-232C实现两台8086微机之问的串行通信，可采用异步或同步工作方式。,分析：设系统采用查询方式控制传输过程，异步传送。初始化程序由两部分组成：是将一方定义为发送器。发送端CPU每查询到TXRDY有效，则向8251A并行输出一个字节数据；是将对方定义为接收器。接收端CPU每查询到RXRDY有效，则从8251A输入一个字节数

32、据，一直进行到全部数据传送完毕为止。,3两台微型计算机通过8251A相互通信的举例（续）,STT：MOVDX，8251A控制端口MOVAL，7FHOUTDX，AL；将825lA定义为异步方式，8位数据，1位停止位MOVAL，11H；偶校验，取波特率系数为64，允许发送。OUTDX，ALMOVDI，发送数据块首地址；设置地址指针MOVCX，发送数据块字节数；设置计数器初值NEXT：MOVDX，8251A控制端口INAL，DXANDAL，01H；查询TXRDY有效否?JZNEXT；无效则等待MOVDX，8251A数据端口、MOVAL，DI；向8251A输出一个字节数据。OUTDX，ALINCDI；修改地址指针LOOPNEXT；未传输完，则继续下一个HLT,发送端初始化程序与发送控制程序如下所示：,SRR：MOVDX，8251A控制端口MOVAL，7FHOUTDX，AL；初始化8251A，异步方式，8位数据MOVAL，14H；1位停止位，偶校验，波特率系数64，允许接收。OUTDX，ALMOVDI，接收数据块首地址；设置地址指针MOVCX，接收数据块字节数；设置计数器初值C