串行通信技术-(3).ppt

1、 串行通信的基本概念, 串行通信的接口标准, Intel8251可编程串行接口芯片, 了解微机串行通信的基本概念, 了解RS-232C，RS485以及USB等几种串行接口标准及其用法, 掌握8251芯片的接口技术及程序设计,9.1 串行通信的基本概念,通信：计算机与外部设备之间、计算机之间的信息交换。,9.1.1 串行通信的连接方式,图9.1 串行通信的3种连接方式,发送器,A,发送器,接收器,发送器,接收器,发送器,接收器,接收器,发送器,接收器,B,数据线,(a)单工方式,数据线,A,B,(c)全双工方式,数据线,数据线,A,B,(b)半双工方式,9.1.2 信号的调制与解调,MODEM是

2、由调制器和解调器合在一起形成的一个装置，以用作双向通信。MODEM的类型一般可分为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。当通信波特率小于300bit/s时，常采用FSK调制方式。,9.1.3 同步与异步通信方式,1. 异步通信方式（ASYNC）,异步通信方式的特点是：,（1）起始位：一位，逻辑0，表示字符的开始；,通信时以收发一个字符为独立的通信单位，每个字符由4个部分组成：,（2）数据位：可以是58位逻辑0/逻辑1，与双方约定的编码形式有关，如：ASCII码（7位），扩展的BCD码（8位）等，起始位之后紧跟着的是数据的最低位D0。,（3）奇/偶校验位：一位逻辑0/逻辑

3、1。,（4）停止位：1位或1.5位或2位逻辑1，表示字符的结束 。,2. 同步通信方式（SYNC）,在异步通信中，每个字符都要用起始位和停止位来使通信双方同步，这些附加的额外信息，使得异步通信的传输效率不高。在需传输大量数据的场合，为提高传输效率和速度，常去掉这些附加位，即采用同步通信SYNC（Synchronous data Communication）,同步通信方式的特点是：,为了防止因收、发双方的时钟频率的偏差的积累效应而产生错位，从而导致通信出错，同步通信要求接收和发送的时钟完全同步，不能有误差。实际应用中，同步传送常在收、发双方间使用同一时钟，故硬件电路比较复杂。,对每个字符的检错一

4、般可用奇校验，数据块的末尾用CRC（循环冗余码）对整个数据块进行校验。,收、发双方以一个或两个预先约定的同步字符作为数据块传送的开始，数据块由几十到几千，甚至更多字节组成。,9.1.4 波特率与收/发时钟,1. 波特率,计算机串行通信中常用波特率（Baud rate）来表示数据传输率，波特率的单位是bit/s，即每秒所传送的二进制位数。常用的标准值有110，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特等。,2.接收/发送时钟,9.1.4 波特率与收/发时钟,9.2 串行通信的接口标准,9.2.1 RS-232C接口标准,RS-232C是串行异步通信中应用最广的串行总线

5、标准，1969年由美国EIA（电子工业协会）颁发，其中RS是Recommended Standard的编写，232是标准的标识号。RS-232C的前身是RS-232A和RS-232B，这前两种接口标准现在已很少使用。RS-232C主要用于使用模拟信道传输数字信号的场合，推出这种标准的最初目的是在数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）与数据通信设备DCE（Data Communication Equipment）之间建立接口标准。,RS-232C的典型应用如图9.5所示。,计算机,串行接口UART,调制解调器Modem,DTE,DCE,控制,发送,接收,调制解调器M

6、odem,串行接口UART,计算机,收送,接收,发送,DTE,DCE,RS-232C,RS-232C,电话线,图9.5 RS-232C的典型应用,1.机械特性 RS-232C采用25脚D型连接器（含插头/插座）作为DTE与DCE之间通信电缆的连接口，但在实际进行异步通信时，只需9个信号即够用，因此也可以采用9脚D型连接器。,2.电气特性 RS-232C采用负逻辑工作，即： 逻辑“1”用负电平表示，有效电平范围是-3V-15V 逻辑“0”用正电平表示，有效电平范围是+3V+15V -3V+3V为过渡区，逻辑状态不定，为无效电平。,3.引脚信号定义,表9.1 RS-232C 主信道引脚信号,数据线

7、： TXD（Transmitted Data）：发送数据，DTE通过TXD将串行数据发 送到Modem。 RXD（Received Data）：接收数据，DTE通过RXD接收从Modem来的 串行数据。,DCD（Data Carrier Detection）：用来表示Modem正在接收来自对方Modem的载波信号，通知DTE准备接收数据。 RI（Ringing Indicator）：通知DTE、Modem已收到电话交换机送来的振铃呼叫信号，使用公用电话线时要用此信号。,4.信号线的连接,(1) 远距离时的连接,(2) 近距离时的连接,5.EIA-RS-232C与TTL相互转换,图9.8 TTL

8、RS-232C的电平转换电路,图9.9 RS-232C TTL的电平转换电路,9.2.2 RS-485 接口标准,1. RS-422A 接口标准,不能进行远距离传输,且是采用单端驱动单端接收电路，即采用公共地线的方式（多根信号线共地），其缺点是不能区分由驱动电路产生的有用信号和外部引入的干扰信号，两地之间的电位差（如果存在的话）将成为通信错误的根源。,图9.10 利用MC1488/MC1489的TTLRS-232C电平转换,TXD,RXD,+12V,-12V,+5V, RS-422A标准的特点：, 采用的平衡驱动、差分接收电路，抗共模干扰信号能力很强，其对逻辑电平的定义是根据两条传输线A、B之

9、间的电位差值来决定的，如当AA线的电平比BB线的电平低0.2V时表示逻辑“0”。, RS-422A的最大传输速率可达10Mb/s（当传输距离为15m时），最大传输距离可达1200m（当传输率为90Kb/s时），而相比之下，RS-232C的最大传输率为20Kb/s，最大传输距离为15m（50英尺）。, 允许驱动器输出电压为+2V+6V，接收器输入电平灵敏度为+0.2V。采用四根线传输信号（2根用于发送，2根用于接收），可以实现多站互联通信，但标准规定电路中只有一个发送器，可以有多达10个接收器。,2. RS-485 接口标准,RXD,使能（EN）,TXD,RXD,TXD,使能（EN）,RS-48

10、5,RS-422A,图9.12 RS-485与RS-422的连接形式比较,9.2.3 USB 接口标准,（1）为所有的带有USB接口的外设提供了连接到计算机的单一的，易于操作的标准连接方式。,（2）支持“即插即用” 。,（3）支持热插拔，即设备接入或拔出时，不必打开机箱，也不必切断主机电源。,（4）提供多种速率以适应不同类型的设备，USB1.0版的数据传输率分为1.5Mb/s低速传输和12Mb/s全速传输两种，USB2.0版的速率则可高达480Mb/s。,（5）占用主机资源少却支持多设备的连接，USB采用星形层次结构和Hub技术，理论上允许最多支持127台物理外设的连接，而总共只占用相当于一台

11、传统设备所需的资源（I/O端口地址、中断口等）。,（6）可为低功耗外设提供电源，可提供+5V电压，500mA电流的电源 。,2. USB 系统的硬件结构,3. USB 系统的软件结构,（1）USB设备驱动程序,位于USB系统软件的最上层，是USB系统软件与USB应用程序的接口，用来实现对特定的USB设备（如：显示器等）的管理和驱动。,（2）USB驱动程序,用来实现USB总线的驱动、带宽的分配、管道的建立和控制管道的管理等功能，通常操作系统（如Windows 98）可提供USB驱动程序。,（3）主控制器驱动程序,用来管理和控制USB主控制器硬件，一般USB主控制器是一个可编程的硬件接口，其驱动程

12、序则用来实现与主控制器通信以及对其控制等功能。,4. USB 的传输方式,USB是一种协议总线，即外设与主机之间通过USB接口进行通信时需要遵循的一系列规范和约定。这里介绍其中的传输方式：,（1）数据块传输方式： 用于传输大批数据，这种数据的实时性要求不是太高，但要确保数据的正确性，典型的应用是支持像打印机、数码相机等设备的数据输入/输出。,（2）中断传输方式： 用于数据传输量小，但具有突发性特点的一类设备。典型的应用是鼠标、键盘、游戏棒等手动输入设备。,（3）等时传输方式 ： 用于周期性和传输速率不变的数据传输设备。典型的如视频设备、数字声音设备、数码相机等，这类传输要求传输速率恒定，时间性

13、强，可以忽略传送错误（没有安排差错校验）。,（4）控制传输方式 ： 用于主机与外设之间的控制、状态、配置等信息的传输。因此，它传输的是控制信息流，而不是数据流。这种方式为主机与外设之间提供了一个控制通道，例如，USB设备接入时，主机将通过控制传输对此设备进行配置。,5. USB 设备开发简介,为一个特定的设备配置一个USB接口，以便使其能够通过USB接口与主机相连接，即所谓USB设备的开发，一般包括三个方面的工作：设备端硬件接口设计、设备内部对USB接口的驱动程序和主机端设备驱动程序的开发。其中后两项工作，即双方的USB驱动程序的开发，需在深入理解USB通信协议的基础上，针对USB设备工作机制

14、以及USB设备驱动开发模型进行软件设计与开发。这里仅对设备端的硬件接口设计作简单介绍。,（1）普通单片机加专用USB接口芯片：常见USB接口芯片有，Philips公司的PDIUSBD12芯片，National Semiconductor公司的USBN9602芯片，以及Lucent公司的USB820/825等。采用这种方式开发USB设备的优点是可以基于用户自己熟悉的单片机，利用现有的单片机开发系统进行开发，缺点是：硬件设计较复杂，调试麻烦。,（2）专用USB控制器芯片，即带有USB接口的单片机。如与Intel 8051 单片机兼容的EZ-USB（Cypress公司），它在8051单片机上所集成的

15、智能USB引擎可以完成USB协议所规定的80%以上的通信工作，大大地减轻了USB设备开发人员的开发工作量。缺点是：需要购买新的开发系统，投资较大。,9.3 16550可编程串行接口芯片,美国国家半导体公司（National Semiconductor）的PC 16550D是一个通用的异步接收器/发送器UART芯片，它与IBM早期推出的个人计算机IBM PC/XT所使用的UART芯片INS 8250 兼容，但最高波特率提高到1.5Mb/s，且具有接收器和发送器FIFO（first-in first-out先进先出）缓冲区，每个FIFO缓冲区长度均为16个字节。目前16550在PC机的外围芯片组中

16、得到了广泛的应用，本节以16550为例来说明UART芯片的功能、特点和用法 。,12.3.1 16550的功能描述,1.发送器：由发送保持寄存器、发送移位寄存器和发送同步控制三部分组成。数据发送时，接收CPU送来的并行数据，再添加上起始位、校验位和停止位以后，由SOUT引脚依次串行发送出去。,2.接收器：由接收移位寄存器、接收缓冲寄存器和接收同步控制器三部分组成。它将由SIN引脚输入的串行数据逐位移入，去掉起始位、停止位和校验位后转换成并行数据，且进行奇/偶然校验后，提供给CPU。,3.控制器：,（1）波特率发生器控制电路： 由波特率发生器、分频系数（亦称除数）寄存器组成,用于产生串行通信时所

17、需要的波特率时钟信号。若16550是以18.432MHZ外部时钟源作为基准时钟，则16位二进制的分频系数与所要求的波特率的关系可由下式表示： 分频系数=18432000（波特率16) （12.1） 式（12.1）中除以16是因为接收或发送的时钟频率为相应波持率的16倍.,（2）通信线控制寄存器和通信线状态寄存器： 这里的控制寄存器用来接收CPU写入的控制字，并依此控制字来控制串行通信的数据格式；状态寄存器则是反映16550在数据发送和接收时的状态，供CPU读取。,（3）中断控制逻辑： 由中断允许寄存器、中断识别寄存器和中断控制电路等三部分组成，用来实现中断申请、优先权排队等管理功能。,（4）调

18、制/解调器控制电路： 这部分电路对外可提供一组Modem控制信号，使得16550可直接与Modem连接，实现远程通信。,（5）与CPU的接口电路： 16550与Intel微处理器完全相容，可以与8088/8086 CPU直接连接，接口电路含八位的双向三态数据总线缓冲器和片选及读写控制逻辑，用于与CPU双向交换各种信息。,12.3.2 16550的引脚及其功能,A0A2：片内寄存器选择线，CPU用此来选择要访问的16550的内部寄存器中的某一个。,DDIS：驱动器禁止信号输出，每当CPU从16550读取数据时，DDIS=0。其余时候均为高电平，禁止挂在CPU与16550之间的数据线上的收发器与1

19、6550通信。,Xin、Xout：时钟信号输入引脚，有两种方式可以通过这两引脚产生16550的内部基准时钟，一种方式是将石英晶体振荡器直接连接在这两个引脚之间，另一种是将外部时钟信号连接到Xin引脚上。,MR：主复位信号，用于对16550复位操作，一般应将此引脚连接到系统RESET信号上，使16550与系统同时复位。,INTR：中断请求信号，由此引脚向CPU申请中断。,4.串行数据输入/输出线：,12.3.3 16550的内部可编程寄存器及控制字格式,表12.2 16550的内部功能寄存器,1.通信控制和状态寄存器,2.用于波特率发生器的除数寄存器,表12.3 常用波特率与除数寄存器的设置,3

20、.Modem的控制和状态寄存器,（1）Modem控制寄存器MCR,（2）Modem状态寄存器MSR,MSR用来反映Modem送入的联络应答信号的状态以及这些信号的变化信息。,4.中断控制用寄存器,中断允许寄存器IER,中断识别寄存器IIR,IIR用D0位（IP）表示是否有中断请求， ID1、ID0两位编码表示当前请求的优先权最高的中断。,4.中断控制用寄存器,THR用来保存CPU送来的并行数据，并转送到发送移位寄存器，将此并行数据转换成串行数据，且加上起始位、校验位和停止位，再从SOUT引脚串行输出。,从SIN引脚输入的串行数据被送到接收移位寄存器，去掉起始位、校验位和停止位以后，转换成并行数据并存入RBR中，等待CPU来接收。,16550的一个主要优点是它具有的内部接收器和发送器FIFO存储器，每个FIFO存储器均为16字节，这种先进先出的16个字的接收/发送缓冲器装置，使得16550大大地降低了对CPU响应串行数据接收/发送中断的速度要求，适合于高速串行通信系统中使用。FFCR则用于对发送器和接收器的FIFO的控制。