1,第九章 串行通信接口,微机接口技术,浙江工业大学信息学院 古辉 ghzjut.edu.cn,2,第九章 串行通信接口,第九章 串行通信接口 9.1 串行传送的基本概念 9.2 串行通信的数据格式 9.3 串行通信接口标准 9.4 串行通信接口的任务及组成 9.5 可编程串行接口芯片8251A 9.6 采用RS-232C标准的全双工异步串行通信接口电路设计 9.7 采用RS-485标准的异步串行通信接口电路设计 9.8 PC微机异步通信适配器的组成,3,9.1 串行传送的基本概念,一、串行传送的特点 通过一根传输线将数据一位一位按顺序分时传送（数据、联络控制信息）。 事先约定串行通信的数据格式（同步、异步两种通信方式）； 发送方在发送前：并行数据转换成串行数据； 接收方接收后：串行数据到并行数据的转换； 远距离传送还需要经过调制/解调器进行信号转换。 传送信息的速率需要控制，约定通信传输的波特率。,4,9.1 串行传送的基本概念,二、串行数据传送方向 单工方式 半双工方式 全双工方式,5,9.1 串行传送的基本概念,三、信号的调制与解调 原因：数字信号直接在传输线上传送衰减会很厉害，从而使信号到了接收端后将发生严重畸变和失真。 解决：发送方使用调制器（Modulator），把要传送的数字信号调制转换为适合在线路上传输的音频模拟信号；接收方则使用解调器（Demodulator）从线路上测出这个模拟信号，并还原成数字信号。,6,9.1 串行传送的基本概念,调制解调器类型一般有：振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。当波特率300时，一般采用频移键控： 当信号(数据)为“0”时，开关1断开，开关2闭合，经放大器输出频率2的信号；当数字信号（数据）为“1”时，开关1闭合，开关2断开，经放大器输出频率1的信号。,图 FSK调制原理图,7,9.1 串行传送的基本概念,四、信息的检错与纠错 数据传输过程中，由于干扰等可能会引起误码，接收方应具有判断数据正确性的能力。 发现传输中错误的操作叫检错。 发现错误之后，如何消除错误，叫纠错。 在基本通信规程中一般采用奇偶校验或方阵码检错，以反馈重发方式纠错。 在高级通信控制规程中一般采用循环冗余码(CRC)检错，以自动纠错方法来纠错。,8,9.1 串行传送的基本概念,方阵码检错举例： 在接收时，收到的数据块将产生一个检验字符，与发送来的检验字符进行比较。如果两者不同，就表明有错码，反馈重发。,9,9.1 串行传送的基本概念,五、波特率与发送/接收时钟 通信速率反映了传输速度的快慢，可由两个指标来表征： 比特率：每秒传送的二进制位数，单位是bit/s。 波特率：每秒传送的进制位数，单位是bout/s。 两者的关系是比特率波特率log2N。由于计算机中的数据均采用二进制方式，因此比特率和波特率是一致的。 例如：某通信系统每秒传输120个字符，每个字符包含10位二进制数，则波特率为120101200b/s。,10,9.1 串行传送的基本概念,计算机通信中，常用波特率表示通信速率。 国际上规定了标准波特率系列，最常用的标准波特率是110、300、600、1200、2400、4800、9600和19200 b/s。波特率的倒数称“位周期”。 收/发时钟直接决定了通信线路上数据传输的速率，而且用来同步收/发双方之间数据的传输。 一般在发送端是由发送时钟的下降沿使送入移位寄存器的数据串行移位输出。 而接收端则是在接收时钟的上升沿作用下将传输线上的数据逐位打入移位寄存器。,11,9.1 串行传送的基本概念,为了提高抗干扰能力，往往用多个时钟调制一位二进制数据，调制一位二进制数据的收/发时钟个数称为波特因子Factor。 收/发时钟频率Txc与波特率Baud之间的关系： Txc=BaudFactor 一般Factor取1, 16, 32和64等。异步通信，常取Factor =16；同步通信，则必须取Factor=1。 传输距离与传输 速率的关系：,12,9.1 串行传送的基本概念,六、串行通信基本方式 异步串行通信方式 在通信的数据流中，字符间异步，字符内部各位间同步， 即：字符与字符之间没有严格的定时要求，然而，一旦传送开始，收/发双方则以预先约定的传输速率，在时钟的作用下，传送这个字符中的每一位。 以字符为信息传送单位。 同步串行通信方式 数据流中的字符与字符之间和字符内部的位与位之间都同步。 同步串行通信是以数据块（字符块）为信息单位传送，每帧信息可以包括成百上千个字符，因此传送一旦开始，要求每帧信息内部的每一位都要同步。,13,9.2 串行通信的数据格式,一、起止式异步串行通信数据格式,图9.7 起止式异步通信数据的帧格式,14,9.2 串行通信的数据格式,一、起止式异步串行通信数据格式,采用相反极性的起始位和停止位提供准确的时间基准。 一次传送1个字符。 可靠性高。 传送数据速率较慢，效率低(约80%)。,图9.7 起止式异步通信数据的帧格式,15,9.2 串行通信的数据格式,例题：异步传输7位ASCII码，如果需要数据传输速率为240字符/秒，使用1位奇偶校验位和1位停止位，则： (1)波特率应该是多少？ (2)有效数据位传输率是多少？ (3)传输效率是多少？ 答： (1)波特率是 (7+1+1+1)240 = 2400 b/s (2)有效数据位传输率是：7240=1680 b/s (3)传输效率是：1680/2400=70%,16,9.2 串行通信的数据格式,二、面向字符的同步通信数据格式 同步通信不用起始位和停止位来标识字符的开始和结束，而是用一串特定的二进制序列，称为同步字符，去通知接收方串行数据第一位何时到达。 几种常用的同步串行传送格式 内同步：对同步字符的检测和同步控制是在串行接口芯片内部进行的。 单同步（只有一个字节的同步字符） 双同步（有两个字节的同步字符） SDLC/HDLC是属于内同步的一种 外同步：对同步信号的检测是在串行接口芯片的外部进行的。当外部硬件电路检测到同步字符时，就给串行接口发来一个同步信号SYNC。当串行接口收到同步信号后，立即开始接收信息。,17,9.2 串行通信的数据格式,图 同步串行数据格式,18,9.2 串行通信的数据格式,面向字符的同步通信数据格式的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议(BSC)，特点是： 一次传送由若干个字符组成的数据块； 规定了10个通信控制字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。 由于被传送的数据块是由字符组成，故被称作面向字符的数据格式。一帧数据格式如图9.8所示。,图9.8 面向字符的同步通信数据的帧格式,19,9.2 串行通信的数据格式,控制字符的定义,20,9.2 串行通信的数据格式,数据透明的实现 面向字符的同步通信的数据格式与异步起止式通信的数据格式相比，传输效率提高了。同时，采用传输控制字，增强了通信控制能力和校验功能。 传输控制字符作为普通数据来处理，称做“数据透明”。为此，设置转义字符DLE(Data Link Escape)。当把一个传输控制字符看成数据时，在它前面要加一个DLE。,21,9.2 串行通信的数据格式,三、面向比特的同步通信数据格式(P214) 面向比特的协议中最有代表性的是： IBM的SDLC(Synchronons Data Link Control) ISO的HDLC(High Level Data Link Control) ANSI的ADCCP(Advanced Data Communications Control Procedure)。 这些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式来标志帧的开始和结束。这种通信的数据帧格式如图9.9所示。,图9.9 面向比特同步通信数据的帧格式,22,9.2 串行通信的数据格式,SDLC/HDLC的一帧信息包括以下几个场(Field)： 标志场：信息传输开始于一个标志字符，且结束于同一个标志字符，这个标志字符是01111110，提供了每一帧信息的边界。 地址场：地址场(Address)规定与之通信的次站地址； 控制场 ：控制场(Control)规定若干个命令。 信息场：信息场(Information)包含要传送的数据。数据场可以为0，则表示该帧是控制命令。 帧校验场：帧校验场称为FC(Frame Check)场或称为帧校验序列FCS(Frame check Sequence)。采用16位循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Code)。,23,9.2 串行通信的数据格式,实际应用时的两个技术问题 “0”位插入/删除技术：信息场中有可能存在和标志字节01111110相同的字符，为了区别，发送端在发送除标志字外的信息时，当遇到连续5个“1”，就自动插入一个“0”；接收端如连续接收到5个“1”(除标志字)，就自动删除其后的一个“0” ，恢复信息。 SDLC/HDLC异常结束：在发送过程中如出现错误，用异常结束字符使本帧作废。在HDLC规程中，失效字符为7个连续的“1” ，在SDLC中失效字符是8个连续的“1”。在异常结束字符中不使用“0”位插入/删除技术。 采用同步协议的数据格式，传输效率高，传送速率快，但其技术复杂，硬件开销大。一般应用中，采用异步通信协议的数据格式较多。,24,9.3 串行通信接口标准,一、RS-232C接口标准 RS-232C的全称是EIA-RS-232C标准（Electronic Industrial Associate-Recommended Standard-232C）。 美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发，1969年公布的通信协议。 它适合于数据传输速率在0-20000b/s范围内的通信。 RS-232C标准最初是为远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)与数据通信设备DCE(Data Communication Equipment)制定的，而不是站在计算机系统的角度来定义的。 RS-232C标准的“发送”和“接收”，都是站在DTE的立场上来定义的。因此，CPU和I/O设备都是DTE。,25,9.3 串行通信接口标准,1.串行通信系统 数据终端设备DTE数据源和目的地 数据通信设备DCE使数据符合线路要求,26,9.3 串行通信接口标准,2.常用的RS-232C信号线(表9.2教材P216),27,9.3 串行通信接口标准,3.RS-232C信号线的连接和使用 使用MODEM(15米以上距离),图9.10 采用MODEM时RS-232C信号线的使用,28,9.3 串行通信接口标准,不使用MODEM(15米以内距离),图9.11 不使用MODEM时最简单的连接,29,9.3 串行通信接口标准,图9.11 不使用MODEM时标准信号连接,考虑使用 RS-232C联络控制信号时的标准信号连接方法,30,9.3 串行通信接口标准,4.电气特性(P219) 数据信号TxD和RxD： 逻辑“1” -3V-15V 逻辑“0” +3V+15V 控制信号RTS、CTS、DSR、DTR等: 接通状态(ON)即信号有效 +3V+15V 断开状态(OUT)即信号无效 -3V-15V EIA-RS-232C与TTL电平转换 RS-232C接口采用的是负逻辑，其逻辑电平与TTL电平不一样，不能兼容。因此，为了实现与TTL电路的连接，必须进行电平转换。 目前可以使用新型电平转换芯片MAX232和MAX232A (高速)双组RS-232C发送/接收器，实现TTL电平与RS-232C电平双向转换(P220)。,31,9.3 串行通信接口标准,5.机械特性 连接器,图9.17 DB-25型连接器,图9.18 DB-9型连接器,在实际进行异步通信时，只需9个信号：2个数据信号、6个控制信号、一个信号地线。,32,9.3 串行通信接口标准,DB-9与DB-