第八章+串行输入输出接口课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第八章 串行输入,/,输出接口,概述,串行通信的实现,串行通信的基本术语,可编程串行通讯接口芯片,8251A,简介,串行通信,RS,232C,USB,总线简介,8.1,概述,一、串行数据,计算机与外部信息交换方式有两种，一种是并行通信，另一种是串行通信。并行通信时，数据各位同时传送。而串行通信时，数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去。这样，虽然速度会慢一些，但传送距离比并行通信长，硬件电路也相应简单些。,现在的台式,PC,机一般至少有两个,RS,232,串行口,COM1,和,COM2,，通常,COM1,使用的是,9,针,D,形连接器，而,COM2,使用的是老式的,DB25,针连接器。,二、 串行通信的实现,1,、并行通信和串行通,信的特点：,串行通信是逐位传送数据，所以一个多位数据需要多次传送。比如一个,8,位的字节型数据至少需要,8,次传送。它有如下特点：,速度较慢；,引线少；,距离长。,2,、串行通信的硬件条件,在硬件上，串行通信系统的核心部件是移位寄存器，其中在发端要有一个并入串出移位寄存器，在收端要有一个串入并出移位寄存器。,0 0 1 1,0,0 0 0 0,0 0 0 1,1,0 0 0,0,0 0 0 0,1,0 0,0,1,D,7,D,0,3,、串行通信的同步,为了可靠的串行通信，同步信号起到至关重要的作用。在理想情况下，同步信号应该在数据信号线上出现有效数据期间的中心点有效，因为这时数据线上的数据是最稳定的。,但在典型的串行通信系统中，,是不存在同步信号线的！,如何实现串行通信的中数据传送的同步呢？系统从软件和硬件两方面采取了如下三个措施：,（,1,） 设置波特率波特率是指单位时间内传送的位数，单位是比特,/,秒。,（,2,）设置数据的传送格式，一般地串行通信在传送数据时，并不是单纯地传送数据位信息。为了使数据传送可靠，还设定了其他一些辅助位。,（,3,）,设置波特率因子,在异步通信方式进行通信时，发送端需要用时钟来决定每,1,位对应的时间长度，接收端也需要用一个时钟来测定每,1,位的时间长度，前一个时钟叫,发送时钟,，后一个时钟叫,接收时钟,。这两个时钟的频率可以是波特率的数倍，一般取,16,倍、,32,倍或,64,倍。这个倍数就称为波特率因子。,波特率,1/,波特,率因子,接收时钟,120016,19200 1200,8.2,串行通信的基本技术,一、串行通信方式,1,、,异步通讯,异步通信是指以字符为单位传送数据，用起始位和停止位标识每个字符的开始和结束字符，两次传送时间隔不固定。,2,、,同步通信,异步通讯为了可靠地传送数据，在每次传送数据的同时，附加了一些标志位。在大量数据传送时，为了提高速度，就去掉这些标志，这就是同步通讯。采用同步传送，在数据块开始处要用同步字符来指示，并在发送端和接收端之间要用时钟来实现同步。,二、串行通讯中的数据传送方向,1,、,半双工,每次只能有一个站发送。,2,、完全双工,两个站都能同时发送称完全双工。,三、异步接收,/,发送器（,UART,）,串行接口的基本结构主要是异步接收,/,发送器（,UART,），它不仅包括并行数据和串行数据之间的相互转换，还有检测串行通信在传送过程中可能发生错误的逻辑部件。,a.,奇偶错误,如上所述，在接收时，,UART,检查接收到的每一个字符的,“,1,”,的个数这个标志，发出奇偶校验出错信息。,b.,帧错误,若接收到的字符格式不符合规定,(,如缺少停止位等,),，则置位该标志，发出帧出错信息。,c.,丢失,(,溢出,),错误,UART,是一种双缓冲器结构。例如，在接收时，接收的数据先由移位寄存器移位，把串行数据变成并行数据，然后送到接收数据寄存器，由输入指令将数据送到,CPU,中。由于数据送到接收数据寄存器，所以即使,CPU,还没取走这个数据，,UART,也可以接收另一个新的字符。但若,UABT,接收到第二个字符的停止位，且要把第二个字符传送到接收数据寄存器时，,CPU,还没取走上一个数据，于是第一个数据会被丢失。如果,UART,出现这种情况就置位丢失,(,溢出,),标志，发出丢失出错信息。,四、信号的调制和解调,由于模拟信号的传输比数字信号传输更为有效，因而可将数字信号调制成模拟信号进行传输，用解调器把接收的模拟信号再转换成数字信号。,8.3,可编程串行通讯接口芯片,8251A,简介,8251A,芯片是,INTEL,公司生产的大规模集成电路芯片，是与,INTEL,系列,CPU,兼容的可编程的串行通讯接口。虽然,8251A,功能较强，但它需要外部时钟电路。因此采用,8251A,作为接口电路时需要比较复杂的外围电路。而目前流行的单片机如,MCS51,系列，,CPU,内部就集成了串行接口部件及定时器,/,计数器，几乎不需要外围辅助电路，使用起来非常简单，性能价格比很高，因此现在越来越多的数字化仪器仪表电路中不再采用,8251A,而是使用单片机作为串行通信接口了。,一、主要基本性能,1,可用于同步和异步传送,2,波特率, DC,19.2K(,异步,),；,DC,64K(,同步,),。,3,完全双工，双缓冲发送和接收,4,与,8080/8085CPU,完全兼容,二、内部结构,发送和接收电路,调制解调控制电路,总线接口部分,1,发送器,a.,数据输出线,TxD,b.,发送时钟,TxC,c.,发送器准备好,TxRDY,d.,发送器空信号,TxEMPY,过程,TxRDY,有效,CPU,写数据到,82518251,发数据,发送完毕，,TxEMPY,有效,2,接收器,a.,数据输入线,RxD,b.,接收时钟,RxC,c.,接收器准备好,RxRDY,过程,8251,接数据,RxRDY,有效, CPU,读,8251,3,调制解调控制电路,/DTR,数据终端准备好信号。是由,825IA,送往外设的，表示,CPU,当前已经准备就绪。,/DSR,数据设备准备好。是外设送往,825lA,的，表示当前外设已经准备好数据。,8251,Modem,/DTR,/DSR,/RTS,请求发送信号。是,8251A,送往外设的，表示,C,P,U,已经准备好发送。,/CTS,清除请求发送信号。由外设送往,825lA,的，当为低电平时，允许,825lA,执行发送操作。,8251,Modem,/RTS,/CTS,4,读,/,写控制电路,三、,8251,编程,1,、,方式选择控制字,三、,8251,编程,1,、,模式寄存器的格式（方式选择控制字）,时钟频率波特率因子,波特率,RxC,TxC,OUT CLK,GATE,+5v,1MHz,8251,8253,如果波特率为,1200,，波特率因子为,16,，问计数初值？,120016,2.,控制寄存器的格式,（操作命令控制字）,接收,发射,3.,状态寄存器的格式（状态控制字,（读）,）,四、,举例,例：编写,8251,异步模式下的接收和发送程序，设端口地址：,90H,，,92H,，波特率因子,16,，,1,起始位，,1,停止位，无奇偶校验，每字符,8,位。,RxC,TxC,OUT CLK,GATE,+5v,1.8432M,8251,8253,解：,1,、,8253,工作方式及计数初值,工作方式,mode3,8253,输出频率：,fout,9600*16=153600=153.6K,fclk,=1M N=1000/153.6=6.51,(,不能用！,),fclk,=1.8432M N=12,2,、,8251,工作方式,方式选择控制字,0 1 0 0 1 1 1 0,4EH,操作命令控制字,0 0 1 1 0 1 1 1,37H,3,、程序,8251,初始化设置：,a,、先对,825lA,软件复位，一般采用先送,3,个,0,， 再送,1,个,40H,的方法，这也是,8251A,的编程 约定，,40H,可以看成是使,8251A,执行复位操 作的实际代码。,b,、对,8251A,进行工作方式及操作命令设置,MOV AL,00H,；复位,8251,OUT 92H,AL,CALL DELAY,OUT 92H,AL,CALL DELAY,OUT 92H,AL,CALL DELAY,MOV AL,40H,OUT 92H,AL,CALL DELAY,；等待,8251,复位,MOV AL,4EH,；置工作方式,OUT 92H,AL,MOV AL,37H,；,操作命令,OUT 92H,AL,发送：,SENDDATPROC,；,DL:,要发送的数据,CHKTXR:IN AL,，,92H,；输入,状态字,AND AL,，,01H,；查,TXRDY,JZ CHKTXR,MOV AL,DL,OUT 90H,，,AL,；发送,RET,SENDDATENDP,接收,：,RECIDATPROC,；,AL:,接收的数据,CHKRXD:IN AL,，,92H,；输入,状态字,AND AL,02H,；查,RXRDY,？,JZ CHKRXD,IN 90H,，,AL,；发送,RET,RECIDATENDP,五、,8250,和,16550,速度,8250,：,50,9600 16550,：,115200,RxC,TxC,OUT CLK,GATE,+5v,1.8432M,8251,8253,A0,A1,A2,000,数据口,/,波特率因子低字节,001,波特率因子高字节,011,线路控制寄存器,101,线路状态寄存器,;,允许访问除数寄存器,MOV DX,MY16550_3,MOV AL,80H,OUT DX,AL,CALL DALLY,;,波特率,9600,；波特率,1.8432/(,波特率因子,16),MOV DX,MY16550_0 ;,波特率低,8,位,MOV AL,0CH,OUT DX,AL,CALL DALLY,MOV DX,MY16550_1;,波特率高,8,位,MOV AL,00H,OUT DX,AL,CALL DALLY,;,工作方式选择,MOV DX,MY16550_3,MOV AL,1BH;,偶校验, 1,位停止位, 8,位数据,OUT DX,AL,CALL DALLY,; modem,设置,MOV DX,MY16550_4;MCR,MOV AL,03H;RTS, DTR,有效,OUT DX,AL,CALL DALLY,;,中断设置,MOV DX,MY16550_1;,中断允许寄存器,MOV AL,00H;,中断屏蔽,OUT DX,AL,CALL DALLY,0 0 0 1 1 0 1 1,;,发送,TR: MOV DX,MY16550_5;,发送保持寄存器检查,LSR,IN AL,DX,AND AL,20H,JZ TR,MOV DX,MY16550_0,MOV AL,TXD_data;,发送数据,OUT DX,AL,RET,;,接收,REV: MOV DX,MY16550_5;,查询接收,IN AL,DX,AND AL,01H,JZ REV,MOV DX,MY16550_0;,接收数据寄存器,IN AL,DX,RET,8.4,串行通信接口,RS,232C,一、,RS,232C,电器特性及接口信号,1,电气特性,在数据线,TXD,和,RXD,上：,逻辑,1=,3V,15V,逻辑,0=,3V,15V,在控制线和状态线,RTS,、,CTS,、,DSR,、,DTR,和,DCD,上：,信号有效,3V,15V,信号无效,3V,15V,2,RS,232C,与,TTL,转换,RS,232C,是用正负电压来表示逻辑状态，与,TTL,以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够使计算机接口与终端的,TTL,器件连接，必须在,RS,232C,与,TTL,电路之间进行电平和逻辑关系变换。,MAX232,3,RS-232C,的接口信号,可以用电缆线直接连接标准,RS232,端口，但通信距离较近,(12m),。若 距离较远，可附加调制解调器（,MODEM,）。,RS,232C,规标准接口有,25,条线，最常用的信号线有,9,根。,二、,RS,232C,应用举例,1,RS,232C,串口通信接线方法（三线制）,2,BIOS,串行通信口功能,IBM PC,及其兼容机提供了比较灵活的关于串行口的,BIOS,中断调用方法，即通过,INT 14H,调用,ROM BIOS,串行通信口例行程序。该例行程序包括将串行口初始化为指定的字节结构和传输速率，检查控制器的状态，读写字符等功能,3,举例,设通信双方有一台计算机为,PC,机，使用,COM1,端口。在串行通信中，必须首先设定通信双方所使用字符串的数据结构，才能进行软件编程。这里我们设数据在接收和发送的字符串中，序号为,0,的字节为数据长度，其后的字节为所接收的数据。,接收数据子程序：,receiveproc far,；这是接收数据子程序，,；出口,AL,，,AH,rec_check:mov,ah,3,；读通讯口状态字,mov,dx,0,int,14h,test ah,20H,；测试数据准备好位,jz rec_check,；数据未准备好，再读状态字,mov,ah,2,；读通信端口数据,mov,dx,0,int,14h,ret,receiveendp,发送数据子程序：,sendproc far,;,这是发送数据子程序,;,输入参数,:,AL,输出参数,:,AL,AH,push ax,send_check:mov,ah,3,；读通讯口状态字,mov,dx,0,int,14h,test ah,20h,；测试“发送保存寄存器空”位,jz,send_check,；发送保存寄存器满，再读状态字,pop ax,mov,ah,2,；发送数据,mov,dx,0,int,14h,ret,sendendp,8,5 USB,总线简介,一、,USB,的定义,USB,是,Universal Serial Bus,的缩写,中文意思就是,“,通用串行总线,”,是连接有,USB,接口的计算机外围设备到计算机的一种计算机外部总线结构,二、,USB,的开发背景,制定了,USB,的规范：,1,连接,PC,与电话。,2,Plug-and-Play,（即插即用）,。,3,端口扩展。,USB,提供双向低成本低速到中速,(USB 2.0,可达,480Mb/s),的通用外设总线适用于连接各种各样的外设并且易于扩展。,三、,USB,的变革,至目前为止，,USB,共经历以下几次重大变革：,0.7,版本,于,1994,年,11,月,11,日发布。是,USB,的最早版本。,1.0,版本,于,1995,年,11,月,13,日制定发布了,规定,USB,具有,2,种传输速度,Low-speed 1.5Mb/s, Full-speed 12Mb/s,。,1.1,版本,于,1998,年,9,月,23,日制定了,1.1,规格版本,速度不变。,2.0 (,草案,),版本,于,1999,年,10,月,5,日发布。制定了,High-speed,的概念，规格,。,2.0,版本,于,2000,年,4,月,27,日发布。,四,USB,系统拓扑结构,五,USB,的特点,1,USB,为所有的,USB,外设提供了单一的、易于操作的标准的连接类型。,2,USB,整个的系统只有一个端口和一个中；,3,USB,支持热插拔,(hot plug),；,4,USB,支持,PNP,；,5,USB,在设备供电方面提供了灵活性；,6,USB,提供全速,12Mbps,的速率和低速,1.5Mbps,的速率来适应各种不同类型的外设,；,USB2.0,还支持,480Mbps,的高速传输速率；,7,USB2.0,的,High-speed,模式支持音频和视频设备，可以保证其固定带宽；,8,为了适应各种不同类型外围设备的要求,USB,提供了四种不同的数据传输类型：控制传输，,Bulk,数据传输，中断数据传输，同步数据传输。同步数据传输可为音频和视频等实时设备的实时数据传输提供固定带宽。,9,USB,的端口具有很灵活的扩展性。一个,USB,端口串接上一个,USB Hub,就可以扩展为多个,USB,端口。规范中说，,USB,可以扩展到,127,个外设端口。,六、,USB,工作原理,1,、,NRZI,编码,2,、分组传送,USB,技术和,IP,技术一样，都是基于分组传送方式的。对,USB,总线来讲，当要传送一个文件时，程序按照,USB,协议，首先把数据分成若干块，然后在每块数据前面添上,同步信号、包标识，后面添上,CRC,校验，就形成了,USB,封包。一个文件可能可能有多个封包。全速,USB,总线把,1,毫秒作为一个时间帧，总线在一个帧内依次传送不同文件的封包。因此从宏观上，就仿佛总线同时对不同的,USB,外设进行数据传送。,3,、,USB,封包,根据信息包所实现的功能可分为,3,种类型：令牌包、数据包和握手包。,令牌包定义了数据传送的类型。比如图所示。,七、,USB,传输方式,1,、,USB,的四种传输方式,（,1,）同步,(isochronous),方式传输 同步传输提供了确定的带宽和间隔时间，以固定的传输速率,连续不断地在主机与,USB,设备之间传输数据,在传送数据发生错误时,USB,并不处理这些错误,而是继续传送新的数据，它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输或者用于要求恒定的数据传输率的即时应用中。,（,2,）中断传输方式,(Interrupt),该方式传送的数据量很小,但这些数据需要及时处理,以达到实时效果。此方式主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输。,（,3,）控制传输方式,(Control),控制传输是双向传输，数据量通常较小，用来处理主机到,USB,设备的数据传输。包括设备控制指令、设备状态查询及确认命令。,（,4,）批,(Bulk),传输方式主要应用在数据大量传输和接受数据上，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输正确无误的数据。,2,、,USB,设备类型,八、,USB,设备列举,在,USB,规范中有一个非常重要的,“,动作,”,或,“,过程,”,。这个动作将会让,PC,机知道何种,USB,设备刚接上以及其所含的各种信息。这样，,PC,机就可以与这个,USB,设备开始进行数据传输的工作了。这个动作称之为设备列举,(enumeration),。,1,、,USB,描述符,在设备列举过程中，,USB,设备向主机传送了一个重要的信息，使主机知道了这个设备是,“,谁,”,，并启动了该设备的驱动程序。这个信息就是,USB,描述符,2,、设备列举,设备列举包含两方面的功能，一是主机搜集,USB,设备的信息，也就是,USB,描述符。另一个是主机根据,USB,描述符对设备进行配置，比如,USB,设备地址设置，,USB,设备各端点数据传输方式设置。,