第6章-串并行通信和接口技术

1第6章串并行通信和接口技术教学建议，本章重点为•8251A的功能结构；•8251A的工作原理；•8251A约定的初始化流程；•8251A的编程方法；•8255A的结构；•8255A的两类控制字；•8255A的工作方式；•8255A的编程方法。2微型计算机与I/O设备的接口按照数据传送格式的不同，可分为：串行接口和并行接口两种。并行口的“并行”含义不是指接口与系统总线一侧的并行数据线而言，而是指接口与I/O设备或被控对象一侧的并行数据线。并行接口适用于近距离传送的场合。由于各种I/O设备和被控对象多为并行数据线连接，CPU用并行口来组成应用系统很方便，故使用十分普遍，如打印机接口、A/D、D/A转换器接口、IEEE-488接口、开关量接口、控制设备接口等。另一种是串行接口，它是在一根线上以数据位为单位与I/O设备或通信设备传送信息，如CRT、键盘及调制解调器接口等。3实现并行通信的接口就是并行接口，并行接口的特点是：1并行接口最基本的特点是在多根数据线上以数据字节为单位与I/O设备或被控对象传送信息。2在并行接口中，除了少数场合之外，一般都要求在接口与外设之间设置并行数据线的同时，至少还要设置两根联络信号，以便互锁异步握手方式的通信。3在并行接口中，每次以8位或16位为单位进行同时传送。因此，当采用并行接口与外设交换数据时，即使是只用到其中的一位，也要一次输入/输出8位或16位。4并行传送的信息，不要求固定的格式。5并行接口的优点是传输速率高，但由于需要多根数据线，因此不适合远距离数据传输，一般用于近距离传送的场合。并行4实现串行通信的接口就是串行接口，其特点如下：1计算机和外设之间只使用一根信号线传输信息，数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。2串行通信在一根线上既要传送数据，还要传送联络信号，因此，串行通信有一定的数据格式的约定，分为异步和同步数据格式。3串行传输的速率需要控制，通信双方要约定相同的波特率实现通信。由于受波特率上限的约束，串行通信速度慢。4信号的逻辑定义与TTL电平不相同。网络RS232USB56.1串行接口和串行通信一、串行通信涉及的常用术语全双工方式、半双工方式和单工方式同步方式和异步方式串行通信的传输率发送过程和接收过程的关系，数据传送的方向时钟对通信过程的定时方式61、全双工方式、半双工方式和单工方式单工：广播双工：电话半双工：对讲机71、全双工方式、半双工方式和单工方式①单工（Simplex)特点：只允许数据按照一个固定的方向传送。即一方能作为发送站，另一方只能作为接收站。设备A发送器设备B接收器Dataflow81、全双工方式、半双工方式和单工方式②半双工（HalfDuplex）特点：数据可以在两个方向上进行传送，但是这种传送绝不能同时进行。【双向，但不同时，可以轮流】设备A发送器/接收器设备B接收器/发送器Dataflow91、全双工方式、半双工方式和单工方式③全双工（FullDuplex）特点：数据的发送和接收由两条不同的通信线传输，能够在两个方向同时进行数据传送。设备A发送器/接收器设备B接收器/发送器10一、串行通信涉及的常用术语2、串行通信的传输率所谓串行传输速率是指每秒钟传输二进制的位数，串行传输速率也叫波特率，1波特=1bps，实际上它是传送每一位信息所用时间的倒数。如果一个串行字符由1位起始位，7位数据位，1位奇偶校验位和1位停止位等10位构成，每秒钟传送120个字符，则数据传送的波特率为：10位/字符×120字符/秒=1200位/秒=1200波特传送每位信息所占用的时间为：Td=1秒/1200=0.833毫秒国际上还规定了一个标准波特率系列，常用的波特率为110、300、600、1200、2400、4800、9600和19200波特或更高。同步传送的波特率高于异步传送方式，可达到64000波特以上。比特率？11一、串行通信涉及的常用术语3、发送接收时钟二进制数序列在串行通信中是以数字信号的形式出现的。对这些连续的数字信号的定时发送和接收，都必须在发送/接收时钟的控制下进行。发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将数据串行移位输出，在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿作用下对接收数据进行采样。发送/接收时钟频率与波特率的关系如下：发送/接收时钟频率=n×发送/接收波特率，其中n称为波特率因子，一般n=1，16，32，64。例如，要求传输速率为1200bps，则：当n=1，表明一位数字信号中只有一个时钟脉冲，故发送/接收时钟频率为：1200×1=1.2KHz当n=16，表明一位数字信号中有16个时钟脉冲，故发送/接收时钟频率为：1200×16=19.2KHz当n=64，表明一位数字信号中有64个时钟脉冲，故发送/接收时钟频率为：1200×64=76.8KHz每一位对应的时间长度12一、串行通信涉及的常用术语4、异步方式异步通信以一个字符为传输单位，用起始位表示字符的开始，用停止位表示字符结束。异步通信是指字符与字符之间的传送是异步的，而字符内部位与位之间的传送是同步的。异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间传送没有严格的定时要求，一旦字符传送开始，收/发双方则以预先约定的传输速率，在时钟脉冲的作用下，传送该字符的每一位，即要求位与位之间有严格而精确的定时，也就是说，异步通信在传送同一个字符的每一位时，是同步的。13起始位：先发出一个逻辑“0”信号，表示开始传输字符。数据位：紧跟着起始位之后，数据位可为5~8位，先传送最低有效位。最后传送最高有效位。奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数为偶数称为偶校验，反之为奇校验，通过编程可以设定为奇校验、偶校验或无校验。停止位：一个数据传输结束标志，可以是1位、1.5位、2位的高电平。空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。图6.1标准的异步通信数据格式先送最低位14一、串行通信涉及的常用术语4、同步方式同步通信是以数据块（字符块）为单位传送的，每个数据块经过格式化之后，形成一帧数据，作为一个整体进行发送与接收，因此，传送一旦开始，要求每帧数据内部的每一位都要同步。也就是说，同步传送不仅字符内部的位传送是同步的，字符与字符之间的传送也应该是同步的，这样才能保证收/发双方对每一位是同步的。为此，收/发两端必须使用相同频率的时钟来控制数据块传送时字符与字符、字符内部位与位之间的定时。156.1串行接口和串行通信二、串行接口串行接口部件4个主要寄存器控制寄存器状态寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器两个端口地址配合读写信号实现对四个寄存器的访问16可编程串行接口的典型结构176.2可编程串行通信接口8251A一、8251A基本性能⒈两种传送方式：同步和异步传送。⒉同步传送：5~8位/字符，内部或外部同步可自动插人同步字符。⒊异步传送：5~8位/字符，时钟速率为通信波特率的1、16或64倍。⒋可自动产生、检测和处理终止字符，可产生1、1.5或2位的停止位。⒌波特率在同步方式时为0～64Kbps，异步方式时为0～19.2Kbps。⒍全双工、双缓冲器发送器和接收器。⒎出错检测：具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。18二、8251A的内部结构它由数据总线缓冲器、接收缓冲器、接收控制电路、发送缓冲器、发送控制电路、读/写控制逻辑和调制解调器控制等电路组成。内部总线提供各部件信息传输的通道。19二、8251A的内部结构⒈数据总线缓冲器数据总线缓冲器是8251A与系统数据总线的接口，内部包含3个三态、双向8位缓冲器，它们分别是：状态字寄存器、发送数据/命令寄存器、接收数据缓冲器。在CPU执行输入输出指令期间，由数据总线缓冲器发送和接收数据。此外，控制信息、状态信息和命令字也通过数据总线缓冲器传送。⒉读/写控制电路读/写控制电路接受CPU的各种控制信号，从而确定本次操作的方式，并对调制解调电路输出控制信息。2021⒊调制/解调控制电路8251A内部的调制/解调控制电路提供了一组控制信号，使8251A可直接与调制解调器相连接，从而完成计算机远程通信任务。⒋发送器发送器由发送缓冲器和控制电路两部分组成。当CPU要向外部发送数据时，先用OUT指令把要发送的并行数据送入8251A的发送缓冲器中锁存，再由发送缓冲器中的移位寄存器将并行数据格式转换成串行的数据流后，从TxD引脚串行发送出去。采用异步方式时，发送控制电路自动加上起始位,并按照程序指定的校验要求加上一个校验位，最后加上程序规定的停止位(1、1.5位或2位)，然后从起始位开始，经移位寄存器从数据输出线的TxD逐位地串行输出。对于同步方式，发送器在发送数据字符之前，先送出一个或两个同步字符，然后逐位地串行输出数据，在同步发送时，字符之间不允许存在空隙。若由于某种原因(如出现更高优先级的中断)迫使CPU在发送过程中停止发送字符，8251A将不断自动地插入同步字符，直到CPU送来新的字符后，继续逐位地串行输出数据。22⒌接收器接收器由接收缓冲器和控制电路两部分组成。接收器从RxD引脚上接收串行数据，并把它转换为并行数据后存入接收缓冲器中。当8251A工作在异步方式时，允许接收，且已经准备好接收数据时，接收器检测RxD引脚上的电平。在无字符传送时，RxD引脚为高电平。当检测到RxD为低电平时，且确认为它是起始位后，8251A开始进行采样，完成字符的装配，并进行奇偶校验和去掉停止位，使串行数据变成了并行数据后送入接收缓冲寄存器中，同时发出RxRDY信号送CPU，指示接收器已收到一个数据字符。在同步方式下，首先搜索同步字符。8251A监测RxD引脚，每当RxD引脚上出现一个数据位时，接收器将它接收下来并移入移位寄存器，与同步字符寄存器的内容进行比较。如果两者不相等，则接收下一位数据，并且重复上述过程。当两个寄存器的内容比较相等时，使8251A的SYNDET引脚变为高电平，表示同步字符已经找到，同步已经实现，于是接收器开始接收数据。238251A的异步方式248251A的同步方式25三、8251A的对外信号261、8251A和CPU之间的连接信号片选信号数据信号读/写控制信号收发联络信号图6.68251A与CPU及外设的连接关系27CS（ChipSelected），片选信号。它由CPU的地址信号通过译码得到。D0~D7（DATA），三态、8位双向数据线，与系统总线相连，用于传输CPU对8251A的编程命令字和CPU发往8251A的待发送数据，以及8251A送往CPU的状态信息及接收到的数据。RD（Read），读信号，低电平有效。当此信号有效时，CPU从8251A读取数据或者状态信息。WR（Write），写信号，低电平有效。当此信号有效时，CPU往8251A写入数据或者控制信息。C/D（Control/Data），控制/数据信号，用来区分当前读/写的是数据信息还是控制或者状态信息。高电平用于访问控制口与状态口，低电平用于访问数据口。TxRDY（TransmitData），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（TransmitEmpty），发送缓冲器标志。当发送缓冲器没有装入新的发送字符时，该标志就变高，当CPU送入1个数据字符时，该标志就被复位。RxRDY（ReceptorReady），接收器准备好信号，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取走。在中断方式时，RxRDY可以作为中断请求信号，在查询方式时，RxRDY可用作查询信号。SYNDET/BD（SynchronousDetection）/BD(BreakDetection)，双引脚功能线。同步检测信号，只用于同步方式。28C/D、RD、WR的编码和对应的操作292、8251A与外设之间的连接信号（1）收发联络信号DTR（DataTerminalReady），数据终端准备好信号，输出，低电平有效，用于通知外部设备，CPU准备就绪。DSR（DataSetReady