第8章串行通信接口

第八章串行通信接口微机接口技术德才兼备知行合一第8章串行通信接口学习目标：◆掌握串行通信的基本概念；◆掌握RS-232C串行接口标准；了解RS-422、RS-423、RS-485串行接口标准的特点及应用场合；◆理解串行接口芯片INS8250的内部结构及外部特性，掌握INS8250的内部寄存器及编程方法；◆重点掌握利用INS8250实现查询方式和中断方式下的串行通信编程应用；◆学会采用BIOS或DOS调用方式利用串行接口来发送/接收一个字符。第8章串行通信接口本章目录：8.1串行通信的基本概念8.2串行接口标准8.3异步通信接口8.4通信接口的BIOS调用及DOS调用习题与思考题8.1串行通信的基本概念8.1.1串行通信的特点8.1.2数据通信方式8.1.3串行通信方式8.1.4信息的校验方式8.1.5传输速率与传送距离8.1.6信号的调制与解调8.1.7串行接口的基本结构和基本功能并行传输与串行传输并行传输：数据代码的每一位各占一条传输线，在两个数据部件之间一次并行传输n位数据。适合近距离高速传输。例：计算机内CPU与主存之间的数据传输。串行传输：数据代码的所有位顺序串行排列成数据流，在一条线缆上逐位传输。适宜远距离数据传输例：①通信网中服务器与站点之间及各站点间的数据传输。②键盘到主机键盘接口电路的按键扫描码传送、③USB接口8.1.1串行通信的特点串行通信特点：①信息在一个方向上传输，只占用一根通信线，因此在这根传输线上既传送数据信息又传送联络控制信息；②信息格式有固定的要求；③需要进行逻辑电平转换。8.1.2数据通信方式串行通信中，数据通常是在两个站（如终端和微机）之间进行传送，按照同一时刻数据流的方向可分成三种基本传送模式8.1.3串行通信方式根据时钟控制方式可分为:异步通信方式通信的发送设备与接收设备使用各自的时钟控制工作，要求双方的时钟尽量一致，但接收端的时钟完全独立于发送端，由自己内部的时钟发生器产生，所以实际频率总是有差异的。同步通信方式通信的双方使用同一个时钟控制数据的发送和接收，发送端与接收端的时钟必须严格一致。串行通信协议通信协议:通信双方的一种约定。约定中包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、纠错方式以及控制字符定义等问题作出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程串行通信协议分类通信协议同步协议异步协议面向字符面向比特1．起止式异步协议特点:①按字符传输；②靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步；③字符之间没有固定的时间间隔要求；④可靠性高；⑤附加位，降低了传输效率。异步传输模式的字符格式1位起始位，5～8位数据1位校验位（可无）1位、1.5位或2位的停止位异步传输模式的字符格式传送时，数据的低位在前，高位在后。例：要传送一个字符“C“，C的ASCII码为43H（1000011），要求一位停止位，采用偶校验，数据有效位7位，则一帧信息为：01100001112．面向字符的同步协议特点：①一次传送由若干个字符组成的数据块，②规定了10个特殊字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通信控制字。最有代表性的面向字符的协议：IBM公司的二进制同步通信协议（BSC）面向字符同步协议的帧格式SYN：同步字符（SynchrunousCharacter），表示一帧的开始SOH：序始字符（StartOFHeader），表示标题的开始。标题：包括源地址、目标地址和路由指示等信息。STX：文始字符（StartOfText）,标志着传送正文的开始。ETB：组终字符（EndofTrandmissionBlock）,用于每个分数据块后面ETX：文终字符（EndofText），用于最后一个分数据块后面。校验码：对从SOH开始直到ETX（或ETB）字段进行校验，校验方式可以是奇偶校验或CRC校验。面向字符同步协议的帧格式转义字符DLE数据透明:将特定字符作为普通数据处理的能力实现方法：协议中设置转义字符DLE（DataLinkEscape注：DLE本身也是特定字符，当它出现在数据块中时，也要在它前面再加上另一个DLE。这种方法叫字符填充。3．面向比特的同步协议特点：①所传输的一帧数据可以是任意位；②靠约定的位组合模式标志帧的开始和结束。最有代表性的面向比特的协议：①IBM的同步数据链路控制规程SDLC（SynchronousDataConrtol）②国际标准化组织ISO的高级数据链路控制规程HDLC（HighLevelDataLinkConrtol）③美国国家标准协会的先进数据通信规程ADCCP（AdvancdeDataCommunicationsControlProcedure）面向比特同步协议的帧格式标志字符:01111110地址场(A):与之通信的次站的地址控制场(C):可规定若干个命令注：SDLC规定A场和C场的宽度为8位或16位。接收方必须检查每个地址字节的第一位，如果为“0”，则后边跟着另一个地址字节；若为“1”，则该字节就是最后一个地址字节。同样，如果控制场第一个字节的第一位为“0”，则还有第二个控制场字节，否则就只有一个字节。面向比特同步协议的帧格式信息场（I）:要传送的数据校验场（FC）:16位循环冗余校验码CRC。其生成多项式为CCITT多项式X16+X12+X5+1。除了标志场和自动插入的“0”位外，所有的信息都参加CRC计算。“0”位插入和删除技术“0”位插入和删除技术：为了把信息场中同标志字节相同的字符与标志区分开。具体作法：发送端在发送所有信息（除标志字节外）时，只要遇到连续5个“1”，就自动插入一个“0”；当接收端在接收数据时（除标志字节外），如果连续接收到5个“1”，就自动将其后的一个“0”删除，以恢复信息的原有形式。这种“0”位的插入和删除过程是由硬件自动完成的。8.1.4信息的校验方式检错：发现传输中的错误。纠错：发现错误之后，如何消除错误。常用的校验方式：奇偶校验；循环冗余（CRC）校验。1．奇偶校验（Paritycheck）发送时，在每个字符的数据最高有效位之后都附加一个奇偶校验位，这个校验位可为“1”或为“0”，以便保证整个字符（包括校验位）中“1”的个数为偶数（偶校验）或为奇数（奇校验）。接收时，接收方采用与发送方相同的通信格式，使用同样的奇偶校验，对接收到的每个字符进行校验。2．循环冗余码校验CRCCRC码:又称(n,k)循环码，此编码共n位，前k位为数据位，后(n-k)=r位为冗余位，冗余位是原数据代码模2除某个r位二进制数得到的余数。CRC校验过程将发送帧看成是一长串的二进制位流，在发送的同时连续模2除一个二进制数（即生成多项式），数据位发送完毕再接着发送模2相除所得到的余数；接收方将接收到的二进制位流（包括余数）模2相除同一个生成多项式，若能除尽则认为传输无误，若除不尽肯定出错。8.1.5传输速率与传送距离1．波特率串行通信中，每秒钟传送的位数（bit/s）波特率与字符速率的关系：假如在某异步串行通信中，通信格式为1个起始位、8个数据位、1个偶数位、2个停止位，若传输速率是1200波特，那么，每秒所能传送的字符数是1200/（1+8+1+2）=100个2．发送时钟和接收时钟在发送数据时，发送器在发送时钟（下降沿）作用下将移位寄存器中的数据按位串行移位输出，数据位的时间间隔取决于发送时钟周期。在接收数据时，接收器在接收时钟（上升沿）作用下对接收数据位采样，并按位串行移入接收移位寄存器，最后装配成并行数据。波特率系数：时钟个数N,异步通信时N可取值1、16、32、64等。同步通信时N只能取1发送/接收时钟频率与波特率的关系：发/接时钟频率=N*发/收波特例：N=16，传输速度为1200波特，则发送/接收时钟频率=19.2KHZ8.1.6信号的调制与解调调制:将二进制信号变换成适合电话网传输的模拟信号解调:将在电话网上传输的音频模拟信号进行还原成原来的数字信号调制解调器按照调制技术分为：①振幅键控（ASK）②频移键控（FSK）③相移键控（PSK）8.1.7串行接口的基本结构和基本功能基本功能：1、实现串行与并行数据之间的相互变换2、根据串行通信协议完成串行数据的格式化3、具有出错检测电路1．异步串行通信接口异步通信接口基本结构图发送移位寄存器及发送控制逻辑：发送数据寄存器的数据并行送入发送移位寄存器，然后在发送时钟控制下，将装配好的数据逐位发送出去。接收移位寄存器及接收控制逻辑：在接收时钟控制下，将串行数据输入线上的串行数据逐位接收并移入接收移位寄存器。当移位寄存器接收到规定的数据位后，将数据并行送往接收数据寄存器。发送数据寄存器：从CPU数据总线接收并行数据。接收数据寄存器：接收从接收移位寄存器送来的并行输入数据，再将数据送往CPU。数据总线缓冲器：它是CPU与数据寄存器（发送和接收）交换数据的双向缓冲器，用来传递CPU对端口的控制信息、双向传递数据、向CPU提供状态信息。常见的差错状态位①奇偶校验错②帧出错③溢出错2．同步串行通信的接口同步通信端口基本结构图FIFO（先进先出缓冲器）：它是由多个寄存器组成，因此发送时，CPU一次可以将几个字符预先装入；接收时允许CPU一次连续取出几个字符。发送FIFO：它接收CPU数据总线送来的并行数据。输出移位寄存器：它从发送FIFO取得并行数据，以发送时钟的速率串行发送数据信息。CRC发生器：它从发送数据流信息中获得CRC校验码。CRC校验器：它从接收数据流信息中提取CRC校验码，并与接收到的校验码相比较。输入移位寄存器：它从串行输入线上以时钟分离器提取出来的时钟速率接收串行数据流，每接收完一个字符数据将其送往接收FIFO。接收FIFO：接收输入移位寄存器送来的并行输入数据，CPU从它取走接收数据。总线缓冲器：它是CPU与FIFO（发送和接收）交换数据的双向缓冲器，用来传递CPU端口的控制信息、字符数据和向CPU提供状态信息。时钟分离器和锁相环：用来从串行输入数据中提取时钟信号，以保证接收时钟与发送时钟的同频同相。8.2串行接口标准数据终端设备DTE与数据通信设备DCE串行连接时要解决两个问题：一、双方要共同遵循物理接口标准，包括连接电缆的机械、电气特性、信号功能及传送过程的定义，它属于ISO’SOSI七层参考模型中的物理层。二、按接口标准设置双发进行串行通信的接口电路。8.2.1EIA-RS-232C接口标准8.2.2RS-422、RS-423、RS-485接口标准8.2.1EIA-RS-232C接口标准RS-232C标准（协议）是美国EIA（电子工业协会）于1969年公布的通信协议。适合数据传输速率0~20000bit/s范围内的通信。1．电气特性(1)电平规定数据发送TxD和数据接收RxD的信号电平：逻辑1（MARK）=-3～-15V，典型值为-12V；逻辑0（SPACE）=+3～+15V，典型值为+12V。RTS、CTS、DTR和DCD控制和状态信号电平：信号有效（接通，ON状态）=+3～+15V，典型值:+12V；信号无效（断开，OFF状态=-3～-15V，典型值:-12V。1．电气特性(2)电平转换必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的转换。1．电气特性(3)传输距离及通信速率RS-232C接口标准的电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2500pF，直接传送最大距离是15m，传输数据速率不能高于20kbit/s。2．接口信号功能RS-232并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器DB-25/DB-9型连接器RS-232C标准接口信号常用联络控制信号线请求发送RTS（Requesttosend）：表示DTE请求DCE发送数据。允许发送CTS（Cleartosend）：表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。这对RTS/CTS请求应答联络信号适用于半双工方式，用于MOEDM系统中作发送/接收方式之间的切换。常用联络控制信号线数据装置准备好DSR