第8章-串行输入输出接口

第第8 8章章-串行输入输出接口串行输入输出接口8-1 8-1 串行通信接口串行通信接口串行通信接口串行通信接口一、串行通信的实现一、串行通信的实现1.并行通信和串行通信的特点并行通信和串行通信的特点串行通信：串行通信：速度慢：速度慢：一位一位数据传输一位一位数据传输线少：线少：单向一条数据传输线，单向一条数据传输线，成本低，长距离更突出成本低，长距离更突出距离长：距离长：线少受干扰相对少线少受干扰相对少计算机计算机外设外设控制（选通）线控制（选通）线状态线状态线并行并行数据线数据线并行通信：并行通信：速度快：速度快：多位数据同时传输多位数据同时传输线多：线多：n位数据要位数据要n根数据线，根数据线，另需控制、状态线，另需控制、状态线，成本高成本高距离短：距离短：线多长距离易受干扰线多长距离易受干扰计算机计算机外设外设0 1 0 0 1 0 0 18TTXDRXDRXDTXD串行数据线串行数据线 注意：注意：“串行串行”是指外设与接口电路之间的信息传送方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，CPU与接口之间仍按并行方式工作。与接口之间仍按并行方式工作。CPU并入串出并入串出移位寄存器移位寄存器串入并出串入并出移位寄存器移位寄存器外设外设TXD RXD串行串行并行并行并行并行串通核心部件是移位寄存器：串通核心部件是移位寄存器：发送端（发送端（TXD）需设置并入串出移位寄存器。）需设置并入串出移位寄存器。接收端（接收端（RXD）需设置串入并出移位寄存器。）需设置串入并出移位寄存器。D QCLKD QCLKD QCLKD QCLKD QCLKD QCLK TXD RXD同步同步脉冲脉冲同步同步脉冲脉冲并入串出移位寄存器并入串出移位寄存器串入并出移位寄存器串入并出移位寄存器D7 D6 D0D0 D1 D7移位控制脉冲，移位控制脉冲，两者应同步两者应同步2.串行通信的硬件条件串行通信的硬件条件3.串行通信的同步串行通信的同步设置设置波特率波特率 为实现串通数据的同步传输，得从软、硬两方面采取为实现串通数据的同步传输，得从软、硬两方面采取3项措施：项措施：在串行通讯中，用在串行通讯中，用波特率波特率来描述数据的传输速率。来描述数据的传输速率。波特率波特率，即每秒钟传送的二进制位数（，即每秒钟传送的二进制位数（bps）。）。常用的波特率有：常用的波特率有：110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200等。等。通常串通接口的波特率可分别用软件来设定的，因此必须确通常串通接口的波特率可分别用软件来设定的，因此必须确保收、发双方设置的波特率一致。保收、发双方设置的波特率一致。如：如：波特率波特率=9600bps 即每秒传输即每秒传输9600数据位。每位传输时间数据位。每位传输时间Td=1/9600 秒。秒。设置数据的传输格式设置数据的传输格式 串通传输数据并非是简单的纯数据位信息，还包括各种其它的串通传输数据并非是简单的纯数据位信息，还包括各种其它的辅助位信息。据此，通信双方还得有一个数据传输格式的约定。辅助位信息。据此，通信双方还得有一个数据传输格式的约定。实际上串行通信本身又分两种方式：实际上串行通信本身又分两种方式：异步通信异步通信和和同步通信同步通信。异步通信传输格式：异步通信传输格式：传输一个字符时，总是以传输一个字符时，总是以起始位起始位开始，然后开始，然后字符本身的各位字符本身的各位，接着接着校验位校验位，最后以，最后以停止位停止位结束该字符的传输。结束该字符的传输。字符间可有任意个字符间可有任意个空闲位，空闲位，起始位后紧跟数据的最低位。起始位后紧跟数据的最低位。100/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1低位低位高位高位111起始位起始位数据位数据位校验位校验位 停止位停止位字符字符100/1 0/1空闲位空闲位字符字符异步通信传输格式异步通信传输格式起始位起始位逻辑逻辑01位位数据位数据位逻辑逻辑0或或15位、位、6位、位、7位、位、8位位校验位校验位逻辑逻辑0或或11位或无位或无停止位停止位逻辑逻辑11位、位、1.5位或位或2位位空闲位空闲位逻辑逻辑1任意数量任意数量100/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1低位低位高位高位111起始位起始位数据位数据位校验位校验位 停止位停止位字符字符100/1 0/1空闲位空闲位字符字符异步通信传输格式异步通信传输格式 由此可见，由此可见，即便是异步通信，其数据格式也略有差异。因此设即便是异步通信，其数据格式也略有差异。因此设置置数据的传输格式是完全必要的。数据的传输格式是完全必要的。设置设置波特率因子波特率因子（基本了解即可）（基本了解即可）在异步通信时，收、发双方每移一位数据所需时间是用时钟在异步通信时，收、发双方每移一位数据所需时间是用时钟加以控制的，发送端时钟叫加以控制的，发送端时钟叫发送时钟发送时钟，接收端时钟叫，接收端时钟叫接收时钟接收时钟。接收时钟接收时钟/发送时钟频率可以是波特率的倍数，该倍数称为发送时钟频率可以是波特率的倍数，该倍数称为波波特率因子特率因子。如：如：波特率因子为波特率因子为32，则，则32个时钟脉冲移位个时钟脉冲移位1次。次。引入引入波特率因子的目的是要在每个数据位的中心点采样数据，波特率因子的目的是要在每个数据位的中心点采样数据，有效地接收发送端传送来的数据。有效地接收发送端传送来的数据。1.串行通信方式串行通信方式二、串行通信的基本概念二、串行通信的基本概念异步通信异步通信 以字符为单位传输数据。一次传输的起始位、字符各位、校以字符为单位传输数据。一次传输的起始位、字符各位、校验位、停止位构成一组完整的信息，称为验位、停止位构成一组完整的信息，称为帧（帧（Frame）。帧与帧。帧与帧间可有任意个空闲位。间可有任意个空闲位。异步通信的双方对数据格式和波特率约定要一致。异步通信的双方对数据格式和波特率约定要一致。同步通信同步通信 数数据据块块开开始始靠靠同同步步字字符符指指示示，发发送送端端和和接接收收端端用用时时钟钟同同步步。常见的几种同步通信格式如下：常见的几种同步通信格式如下：图图(a)单同步格式，传送一帧数据仅使用一个同步字。单同步格式，传送一帧数据仅使用一个同步字。图图(b)双同步字格式，这时利用两个同步字进行同步。双同步字格式，这时利用两个同步字进行同步。图图(c)同步数据链路控制（同步数据链路控制（SDLC）。）。2.串行通信中的数据传输方向串行通信中的数据传输方向全双工方式：全双工方式：通讯双方能同时进行发送和接收操作。通讯双方能同时进行发送和接收操作。半双工方式：半双工方式：只有只有1根数据传送线，通讯双方的发送和接收由根数据传送线，通讯双方的发送和接收由电子开关切换。由于只有一条信道，所以数据不能同时在两电子开关切换。由于只有一条信道，所以数据不能同时在两个方向上传送。个方向上传送。#33.异步接收异步接收/发送器（发送器（UART）UART结构图结构图 串行接口的基本结构是串行接口的基本结构是UART，主要包含收发数据所需的并，主要包含收发数据所需的并串转换及检错功能。串转换及检错功能。UART的基本工作原理：的基本工作原理：接收：接收：串行输入移位寄存器串行输入移位寄存器接收接收RXD端的串行数据端的串行数据进进入输入数据缓冲器入输入数据缓冲器经数据经数据总线至总线至CPU。发送：发送：CPU将发送数据经数将发送数据经数据总线写入输出数据缓冲器据总线写入输出数据缓冲器进入串行输出进入串行输出移位寄存器移位寄存器由由TXD端一位一位输出。端一位一位输出。检错：检错：在接收数据过程中一在接收数据过程中一旦出现奇偶错误、帧错误、旦出现奇偶错误、帧错误、丢失（溢出）错误会置位相丢失（溢出）错误会置位相应的标志位，供应的标志位，供CPU判断。判断。4.信号的调制和解调信号的调制和解调数字信号的频带较宽，而普通通信线路频带较窄，如电话线数字信号的频带较宽，而普通通信线路频带较窄，如电话线频带范围仅为频带范围仅为3003400Hz。据此，采用普通通信线路进行远程数据通信时，需要在发送据此，采用普通通信线路进行远程数据通信时，需要在发送端用端用调制器（调制器（Modulator）把数字信号转换为模拟信号，模拟把数字信号转换为模拟信号，模拟信号经通信线路传送到接收方，接收方再用信号经通信线路传送到接收方，接收方再用解调器解调器（Demodulator），把模拟信号变为数字信号。把模拟信号变为数字信号。调制解调器的类型比较多，有调制解调器的类型比较多，有频移键控（频移键控（FSK）、相移键控）、相移键控（PSK）、振幅键控（、振幅键控（ASK）。其中其中FSK的调制方法是把数字信号的调制方法是把数字信号1与与0调制成不同调制成不同频率的模拟信号。频率的模拟信号。三、可编程串行通信接口芯片三、可编程串行通信接口芯片8251简介简介能用于同步或异步通信。能用于同步或异步通信。同步传输：同步传输：58位位/字符，自动插同字符，自动插同步字符，添加奇偶校验。步字符，添加奇偶校验。异步异步传输：传输：58位位/字符，自动添加字符，自动添加起始位、停止位和校验位。起始位、停止位和校验位。波特率：同步：波特率：同步：0-64Kbps；异步：；异步：0-19.2Kbps。全双工：双缓冲发送和接收。全双工：双缓冲发送和接收。出错检测：有奇偶、溢出、帧错误出错检测：有奇偶、溢出、帧错误等检测电路。等检测电路。1.8251的基本性能与内部结构的基本性能与内部结构基本性能：基本性能：引脚功能（见书）引脚功能（见书）8251内部结构内部结构内部结构内部结构数据总线缓冲器：数据总线缓冲器：CPU与与8251的接口，其内含的接口，其内含3个缓冲器：个缓冲器：接收缓冲器：接受数据存放地，以供接收缓冲器：接受数据存放地，以供CPU读取。读取。发送发送/命令缓冲器：发送数据和命令字存放地。命令缓冲器：发送数据和命令字存放地。状态缓冲器：状态缓冲器：8251A内部工作状态存放地，供内部工作状态存放地，供CPU查询。查询。8251内部结构内部结构发送器和接收器：发送器和接收器：读写控制电路：接收读写控制电路：接收CPU的控制信号，的控制信号，控制数据传送方向。控制数据传送方向。调制解调控制电路：提供和调制解调器的联络信号。调制解调控制电路：提供和调制解调器的联络信号。CPU对对8251的读写控制的读写控制2.8251A的编程的编程方式控制字：方式控制字：确定确定8251A的通讯方式（同步的通讯方式（同步/异步）、校验方异步）、校验方式（奇校验、偶校验、不校验）、数据位数（式（奇校验、偶校验、不校验）、数据位数（5、6、7或或8位）位）及波特率等。及波特率等。它应在复位后写入，且只需写入一次。它应在复位后写入，且只需写入一次。8251A的控制字寄存器寄存的控制字寄存器寄存方式控制字方式控制字和和命令控制字。命令控制字。方式控制字的格式方式控制字的格式命令控制字的格式命令控制字的格式命令控制字：命令控制字：使使8251A处于规定的状态以准备发送或接收数据。处于规定的状态以准备发送或接收数据。它应在写入方式控制字后写入，用于控制它应在写入方式控制字后写入，用于控制8251A的工作，可以的工作，可以多次写入。多次写入。状态字格式状态字格式DSR：数据设备准备好标志。数据设备准备好标志。其状态同其状态同/DSR脚。脚。SYNDET：同步标志。同步标志。FE：异步通讯帧出错标志。为：异步通讯帧出错标志。为1表示未检测到字符末尾的有表示未检测到字符末尾的有效停止位，但效停止位，但FE错并不禁止错并不禁止8251A工作。工作。FE标志由命令控制标志由命令控制字中的字中的ER位清除。位清除。OE：溢出标志。溢出标志。接收器内的字符尚未被接收器内的字符尚未被CPU读走时又有新读走时又有新的字符装入，则的字符装入，则OE置置1，此时原来的字符丢失，但并不禁止，此时原来的字符丢失，但并不禁止8251A工作，工作，OE标志由命令控制字中的标志由命令控制字中的ER位清除。位清除。状态寄存器存放状态寄存器存放8251A的的状态信息状态信息，供，供CPU查询。查询。状态字格式状态字格式PE：奇偶错标志。奇偶错时：奇偶错标志。奇偶错时PE置置1，但此时并不禁止，但此时并不禁止8251A工工作，作，PE标志由命令控制字中的标志由命令控制字中的ER位清除。位清除。TXE：发送缓冲器空标志。发送缓冲器空标志。其状态同其状态同TXE脚。脚。RXRDY：接收准备好标志。接收准备好标志。其状态同其状态同RXRDY脚。脚。TXRDY：发送准备好标志。发送准备好标志。含义同含义同TXRDY引脚。只要发送引脚。只要发送缓冲器空，就置位该位。而引脚缓冲器空，就置位该位。而引脚TXRDY除发送缓冲器空外，除发送缓冲器空外，还要满足还要满足TXE=1，CTS=0才置位。才置位。PC机上的机上的COM1、COM2接口，就是接口，就是RS-232C接口，使用接口，使用9针和针和25针连接器。针连接器。四、串行通信接口四、串行通信接口RS-232CRS232C是美国电子工业协会（是美国电子工业协会（EIA）的串行通信接口标准。）的串行通信接口标准。所谓标准，是对串行接口的各种信号线的功能、电气特性、所谓标准，是对串行接口的各种信号线的功能、电气特性、逻辑电平、连接器引脚的排列等所做的规定。逻辑电平、连接器引脚的排列等所做的规定。1.RS-232C电气特性及接口信号电气特性及接口信号RS-232C采用负逻辑，且信号电平与采用负逻辑，且信号电平与TTL不兼容。不兼容。规定逻辑规定逻辑“1”在在-3V-15V 之间；逻辑之间；逻辑“0”在在+3V+15V之之间。间。电气特性电气特性RS-232C与与TTL电平转换电平转换RS-232C不是不是TTL电平的接口标准，当计算机与外设进行通电平的接口标准，当计算机与外设进行通信时，必须有相应的电平转换电路。信时，必须有相应的电平转换电路。串行接口芯片串行接口芯片8251A使用使用TTL电平，应用电平转换电路与电平，应用电平转换电路与RS-232C连接器连接连接器连接。通常采用的是通常采用的是MC1488和和MC1489电平转换器。电平转换器。MC1488：TTL电平电平RS232电平电平 MC1489：RS232电平电平TTL电平电平TXD：发送数据：发送数据RXD：接收数据接收数据SG/GND：信号地信号地DSR：DCE（数据通信设备）准备好（数据通信设备）准备好DTR：DTE（数据终端设备，即微机接口电路（数据终端设备，即微机接口电路8251）准备好）准备好RTS：DTE请求请求DCE发送发送CTS：DCE允许允许DTE发送发送,该信号是对该信号是对RTS信号的回答。信号的回答。DCD：数据载波检测。当本地：数据载波检测。当本地DCE收到对方的收到对方的DCE设备送来设备送来的载波信号时，使的载波信号时，使DCD有效，通知有效，通知DTE准备接收，并且由准备接收，并且由DCE将接收到的载波信号解调为数字信号，经将接收到的载波信号解调为数字信号，经RXD线送给线送给DTE。RI：振铃信号。当：振铃信号。当DCE收到交换机送来的振铃呼叫信号时，收到交换机送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效，通知使该信号有效，通知DTE已被呼叫。已被呼叫。RS-232C的接口信号的接口信号无无Modem的标准连接的标准连接无无Modem 的最简连接的最简连接2.RS-232C应用连接应用连接第八章作业：第八章作业：1、4、6结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！25