串行通信及接口电路课件

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 串行通信及接口电路,第一节 串行通信的基本概念,在,计算机领域内，有两种数据通信方式：并行通信和串,行通信。随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统,的发展，通信的功能越来越重要。通信是指计算机与外,界的信息传输，既包括计算机与计算机之间的传输，也,包括计算机与外部设备，如终端、打印机和磁盘等设备,之间的传输。,第五章我们已经讲了并行通信，而随着通信技术和计,算机网络技术的发展、,Internet,网的普及，计算机远程通,信已渗透到国民经济的各个领域，而远程通信绝大多数,采用串行通信的方式，所以了解和研究串行通信中的概,念和技术有非常重要的意义。,一、串行通信的特点,数据在单条一位宽的传输线上，一比特接一比特地按,顺序传送的方式称为串行通信。,如图8.1(,a),所示的并行通信中，一个字节（8位）数据是,在8条并行传输线上同时由源传到目的地；而在图8.1(,b),所示的串行通信方式中，数据是在单条1位宽的传输线上,一位接一位地顺序传送。这样一个字节的数据要分8次由,低位到高位按顺序一位位地传送。由此可见，串行通信,的特点如下：,1、节省传输线，这是显而易见的。尤其是在远程通信,时，此特点尤为重要。这也是串行通信的主要优点。,2、数据传送效率低。与并行通信比，这也这是显而易,见的。这也是串行通信的主要缺点。,例如：传送一个字节，并行通信只需要1,T,的时间，而串,行通信至少需要8,T,的时间。,由此可见，串行通信适合于远距离传送，可以从几米,到数千公里。对于长距离、低速率的通信，串行通信往往,是唯一的选择。并行通信适合于短距离、高速率的数据传,送，通常传输距离小于30米。特别值得一提的是，现成的,公共电话网是通用的长距离通信介质，它虽然是为传输声,音信号设计的，但利用调制解调技术，可使现成的公共电,话网系统为串行数据通信提供方便、实用的通信线路。,二、串行通信的一些基本概念和常用术语,1、串行数据在传输线上的形式和标准,串行数据在传输时通常采用,调幅,（,AM）,和,调频,（,FM）,两,种方式传送数字信息。远程通信时，发送的数字信息，如,二进制数据，首先要调制成模拟信息。, 调幅方式,幅度调制是用某种电平或电流来表示逻辑“1”，称为传,号（,mark）；,而用另一种电平或电流来表示逻辑“0”，称,为空号（,space）。,出现在传输线上的,mark/space,的 串行,数据形式如图8.2所示。,使用,mark/space,形式通常有四种标准，,TTL,标准、,RS-232,标准、20,mA,电流环标准和60,mA,电流环标准。,TTL,标准：用+5,V,电平表示逻辑“1”；用0,V,电平表示逻辑,“0”，这里采用的是正逻辑。,RS-232,标准：用-5,V -15V,之间的任意电平表示逻辑“1”,；用+5,V +15V,电平表示逻辑“0”，这里采用的是负逻辑。, 20,mA,电流环标准。线路中存在20,mA,电流表示逻辑1，不,存在20,mA,电流表示逻辑0。, 60,mA,电流环标准。线路中存在60,mA,电流表示逻辑1，不,存在60,mA,电流表示逻辑0。, 调频方式,频率调制方式是用两种不同的频率分别表示二进制中的逻,辑1和逻辑0，通常使用,曼彻斯特编码标准,和,堪萨斯城标准,。,曼彻斯特编码标准，它的数据形式如图8.3所示。这种标,准兼有电平变化和频率变化来表示二进制数的0和1。从图中,可看出。每当出现一个新的二进制位时，就有一个电平跳,变。如果该位是逻辑1，则在中间还有一个电平跳变；而逻,辑0仅有位边沿跳变。所以逻辑1的频率比逻辑0的频率大一,倍。曼彻斯特编码标准通常用在两台计算机之间的同步通信。, 堪萨斯城标准，它的数据形式如图8.4所示。它用频率,为1200,Hz,中的4个周期表示逻辑0；而用频率为2400,Hz,中的,8个周期表示逻辑1。,2、局域网中常用的数字编码技术,在局域网中常用的数字信号编码有以下3种，如图8.5所示。,NRZ,编码,NRZ,编码又称为不归零编码，常用正电压表示“1”，负,电压表示“0”，而且在一个码元时间内，电压均不需要回,到零。其特点是全宽码，即一个码元占一个单元脉冲的,宽度。,曼彻斯特（,Manchester),编码,在曼彻斯特编码中，每个二进制位（码元）的中间都有,电压跳变。用电压的正跳变表示“0”，电压的负跳变表示,“1”。由于跳变都发生在每一个码元的中间位置（半个周,期），接收端就可以方便地利用它作为同步时钟，因此,这种曼彻斯特编码又称为自同步曼彻斯特编码。目前最,广泛应用的局域网以太网，在数据传输时就采用这种,数字编码。, 微分曼彻斯特编码,这种编码是曼彻斯特编码的一种修改形式，其不同之处,时：用每一位的起始处有无跳变来表示“0”和“1”，若有跳,变则为“0”，无跳变则为“1”；而每一位中间的跳变只用来,作为同步的时钟信号，所以它也是一中自同步编码，,自同步曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码的每一位都是,用不同电平的两个半位来表示的，因此始终保持直流的,平衡。不会造成直流的累积。,3、数据传输率,数据传输率是指单位时间内传输的信息量,，可用比特率,和波特率来表示。,比特率,：比特率是指每秒传输的二进制位数，用,bps,（bit/s),表示。,波特率,，波特率是指每秒传输的符号数，若每个符号,所含的信息量为1比特，则波特率等于比特率。,在计算机中，一个符号的含义为高低电平，它们分别代,表逻辑“1”和逻辑“0”，所以每个符号所含的信息量刚好为,1比特，因此在计算机通信中，常将比特率称为波特率，,即：,1波特（,B）= 1,比特（,bit）= 1,位/秒（1,bps）,例如：电传打字机最快传输率为每秒10个字符/秒，每个字,符包含11个二进制位，则数据传输率为：,11位/字符10个字符/秒=110位/秒=110波特（,Baud）,计算机中常用的波特率是：110、300、600、1200、,2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可,达56,Kbps.,位时间,T,d,位时间是指传送一个二进制位所需时间，用,T,d,表示。,T,d,= 1/,波特率 = 1/,B,例如：,B=110,波特/秒 ， 则,T,d,= 1/110 0.0091ms,4、,发送时钟和接收时钟,在串行通信中，二进制数据以数字信号的信号形式出现,，不论是发送还是接收，都必须有时钟信号对传送的数,据进行定位。在,TTL,标准表示的二进制数中，传输线上高,电平表示二进制1，低电平表示二进制0，且每一位持续,时间是固定的，由发送时钟和接收时钟的频率决定。, 发送时钟,发送数据时，先将要发送的数据送入移位寄存器，然,后在发送时钟的控制下，将该并行数据逐位移位输出。通,常是在,发送时钟的下降沿将移位寄存器中的数据串行输,出，每个数据位的时间间隔由发送时钟的周期来划分，,参见图8.6所示。, 接收时钟,在接收串行数据时，接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测，并将其移入接收器的移位寄存器中，最,后组成并行数据输出，如图8.7所示。, 波特率因子,接收时钟和发送时钟与波特率有如下关系：,F = n B,这里,F,是发送时钟或接收时钟的频率；,B,是数据传输的波特率；,n,称为波特率因子。,设发送或接收时钟的周期为,Tc,，,频率为,F,的位传输时间,为,T,d,，,则：,Tc,= 1/F , T,d,= 1/B,得到：,Tc,= T,d,/n,在,实际串行通信中，波特率因子可以设定。在异步传送,时，,n = 1，16，64，,实际常采用,n = 16，,即发送或接收时,钟的频率要比数据传送的波特率高,n,倍。在同步通信时，,波特率因子,n,必须等于1。,三、串行通信的连接方式,串行通信中，两个设备之间连接的数据通路有三种方,法，如图8.8所示。,1、单工（,simplex）,连接,这种连接方式仅能进行一个方向的数据传输，如图8.8,(,a),中，,A,设备只能发送，,B,设备只能接收，即数据传输只,能从,A,传送到,B。,2、,半双工（,half-duplex）,连接,两个设备,A、B,之间可交替地进行双向数据传送，但不,能同时发送或同时接收。在某一时刻,A,作为发送器，,B,作,为接收器，数据由,A,传送到,B；,而在另一时刻，,B,作为发,送器，,A,作为接收器，数据从,B,传送到,A，,如图8.8（,b）,所,示。,图8.8 串行通信的连接方式,3、全双工（,full-duplex）,连接,两个设备,A、B,之间可同时进行数据传送，如图8.8（,c）,所示。半双工连接时，,A、B,设备之间只需要一根传输线,，而全双工连接时，,A、B,设备之间需要两根传输线。为,了实现全双工传输,，,A,设备和,B,设备必须有独立的发送器,和接收器。在同一时刻，可以从,A,向,B,传送和,B,向,A,传送，,这相当于有两个独立的单工连接。,四、信号的调制和解调,1、概述,计算机通过串行口发送出去或接收到的信息一般只能,是调幅制的数字信息。采用,TTL,标准、,RS-232,或20,mA,电,流环等标准的调幅制数字信息，只适合于近距离的通信。,远程有线通信大都数是通过电话线传输的，而电话线只能,传输调频制的音频信息。因此，在两台计算机进行远距离,传送时，发送端将信息送上电话线之前，要用调制器（,modulation ）,将数字信息转换为模拟信息，然后通过,电话线传输到接收方，而接收方要用解调器（,demodulation）,检测电话线上的模拟信息，再将其转换为数字信息，再通,过接口送入接收方的计算机。,2、调制解调器（,modem）,的基本原理,一般的,modem,都,具有调制和解调双重功能，利用调制和,解调两个过程完成数字信号在模拟通道（例如电话线）上,的传输。所谓调制过程就是用数字信号去控制载波信号的,参数；解调过程则是检测载有数字信号的载波信号参数的,变化，将数字信号分离出来。载波信号通常可表示为：,其中：,A,为幅度，,为,角频率，,是初始相位。,数字信号可分别对载波信号的这三个参数进行控制，以,实现幅度调制（,ASK）、,频率调制（,FSK）,和相位调制（,PSK）,三种调制方式。参见图8.9所示。,目前，在调制解调器中常用的调制技术是频率调制，即,频移键控方式。,图8.10是频移键控方式的基本原理。数字信号1和0分别,调制成不同频率的模拟信号。图中,S1、S2,是两个电子模,拟开关，分别控制两个不同频率的模拟信号，开关接通，,则该频率的模拟信号送到运算放大器的反相输入端。而,电子开关由被传输的数字信号控制。当数字信号为0时，,开关,S2,接通，送出频率为,f2,的模拟信号；当数字信号为1,时，开关,S1,接通，送出频率为,f1,的模拟信号，经运算放大,器合成后，输出就是经调制后的两种频率的模拟信号。通,常,f1,为2400,Hz,的正弦信号（数字1），,f2,为1200,Hz,的正弦,信号（数字0）。,在接收端用解调器检测调制后的模拟信号，再将它转换成,数字信号，这样就实现了调制和解调的过程。,3、,调制解调器的基本功能,调制解调器应有调制和解调的功能，这是显而易见的，,正如上面所述的。,调制解调器一般应具有呼叫和应答功能，使之能像电,话线那样，具有线路接通、线路接续和拆除的功能。,呼叫和应答有人工和自动两种方式。人工方式的呼叫,和应答过程均由人工控制完成；而自动方式是利用具有,自动呼叫和应答功能的调制解调器来完成的。, 大多数调制解调器具有自动差错校正和速率转换功能,。在调制解调器内部附有硬件电路提供,MNP,差错校正协,议（,Microcom,Networking Protocol），,这个协议有两个主,要功能：差错校正和速率转换，另外还具有；流量控制,功能。,4、调制解调器的基本组成,如图8.11所示，调制解调器一般由基带处理、调制解,调和信道形成3大部分组成，其中调制解调是其核心，此,外还有均衡和取样判决两部分。,5、调制解调器的应用,调制解调器主要用于远距离通信，在远距离通信时，调,制解调器的连接如图8.12 所示。,图,中,数据终端设备,DTE（Data Terminal Equipment）,和数,据通信设备,DCE（Data Communication Equipment）,通过,串行接口,RS-232C,连接。,DTE,设备通常就是计算机，,DCE,设备通常指,Modem。,两个,DCE,设备之间用电话线连接，以,实现远距离通信。,5、调制解调器的速率转换、常用控制信号和状态信号,Modem,的,传输速率,Modem,按,传输速率可分为低速、中速和高速三类。传输,速率低于2000波特为低速,Modem，,传输速率在2000至9600,波特之间的为中速,Modem，,传输速率高于9600波特的称为,高速,Modem。,目前,Modem,的,最高速率为56,Kbps。, Modem,的常用控制信号,从计算机通过,RS-232C,接口送给,Modem,的,控制信号有：,数据终端设备准备好信号,DTR,（Data Terminal Ready)。,当数据终端设备(,DTE),接通电源并进入工作状态后，就向,数据通信设备,DCE,发出,DTR,信号。此信号从,DTEDCE。,请求发送信号,RTS,(Request To Send)。,当数据终端设备准,备发送数据时，就向数据通信设备发出,RTS,信号。数据终,端设备在收到数据通信设备的允许发送信号,CTS,后，数据,发送才开始进行。此信号从,DTEDCE。, Modem,的,常用状态信号,从,Modem,通过,RS-232C,接口送给计算机的状态信号有：,数据通信设备准备好信号,DSR,(Data Set Ready)。,在数据,通信设备接通电源并进入工作状态后，即向数据终端设备,发出,DSR,信号。,DTR,设备收到,DCE,设备的,DSR,信号后，即,发出请求发送信号,RTS，,开始进行通信。,此信号从,DCE DTE 。,允许发送信号,CTS,（Clear To Send)。,这是数据通信设,备收到数据终端设备发来的,RTS,信号后，则先启动发送功,能，然后向数据终端设备发出,CTS,信号，允许数据终端设,备开始发送数据。此信号从,DCE DTE。,数据载波检测信号,DCD,（Data Carrier Detected)。,当数,据通信设备检测到线路上出现有效载波信号后，就向数,据终端设备发出,DCD,信号。此信号从,DCE DTE。,振铃指示信号,RI,（Ring,Indicat,)。,当数据通信设备接收,到电话交换设备的振铃信号（,Ring Signal),时，则输出,RI,信号给数据终端设备。此信号从,DCE DTE。,五、串行通信中常用的传输介质,数据通信中，传输介质是必不可少的，所谓传输介质,是指数据传输的物理载体，介质的特性将直接影响到数,据传输的性能指标。,在有线传输介质中，主要包括平行,线、双绞线、同轴电缆和光导纤维。,1、平行线（,Parallel Line）,平行传输线主要是指电话线，通常传输音频模拟信号，,也可以用来传输经过调制的速率不太高的数字信号。当,前随着,Internet,的迅速发展，,PC,机用户可以通过,MODEM,和普通的电话线拨号上网，实现远距离通信。,2、双绞线（,Twisted Pair Line）,双绞线是由呈螺旋排列的两根绝缘导线组成的，两根,导线相互扭绞在一起，可使线对之间的电磁干扰减至最,小。双绞线既可传输模拟信号，也可传输数字信号。一,般情况下，在100米内的传输速率可达10,Mb/s。,如果在一,定距离内加入中继器（,Repeater），,则传输距离可以延长。,在局域网中，双绞线是一种廉价的传输介质。,在局域网中使用的双绞线有屏蔽双绞线,STP,和无屏蔽,双绞线,UTP,两,类，每一类中又分若干等级。如,UTP,分为三,种：3类,UTP（,传输带宽为16,MHz）、4,类,UTP（,传输带宽,为20,MHz),和5,类,UTP（,传输带宽为100,MHz)。,在100,Mb/s,的高速局域网中，通常使用5类,UTP,或,STP,作为传输介质。,3、同轴电缆（,Coaxial Cable）,同轴电缆由内、外导体组成，内导体是单股或多股线，,外导体是圆柱形的，通常由编织线组成，并围裹内导体。,内外导体之间有绝缘材料固定，外导体外面再由一层塑,料来,覆盖。,在局域网中主要使用两种同轴电缆，一种是50,电缆，,即特性阻抗为50,的,同轴电缆，主要用于基带信号传输。,所谓基带信号是指以数字信号位流形式进行的传输，不,用任何调制，是一种广泛用于局域网的信号传输技术，,其传输速率可达1-20,Mb/s。,另一种同轴电缆是特性阻抗为75,的,公用天线电视（,CATV）,电缆，既可用于传输模拟信号，也可用于传输数,字信号。这种电缆的传输带宽可达300-400,MHz，,可用于,宽带信号的传输。,4、光导钎维（,Fiber）,光导钎维简称光纤，是一种能传送光波的介质。它的,内层是具有较高折射率的光导玻璃纤维，外层包裹着一,层折射率较低的材料，利用不断的全反射来传送被调制,的光信号。实际上，光纤在覆盖可见光和部分红外线谱,（即10,14,-10,15,Hz）,的范围内起着波导的作用。,在光纤系统中，发送端用电信号对光源进行光强控制，,从而将电信号转化为光信号；接收端用光检波二极管再,把光信号还原为电信号。光纤不易受电磁干扰和噪声的,影响，可进行远距离、高速率的数据传输，并具有很好,的保密性能，是一种最有发展前途的通信介质。,5、无线介质,无线介质实际上是一种无线传输，通常通过通信卫星,来实现。无线传输真正的介质是自由空间，通信卫星只,起到中继作用。在通信卫星上有多个信号转发器，可将,来自地面上的信号经放大和频率变换后，再发回地球上,它所覆盖的范围内，从而实现数据传输。,一般情况下，适当布局3颗地球同步通信卫星即可覆盖,整个地球。国际上对通信卫星的使用轨道和频段达成协,议，规定上行频段为5.925-6.425,GHz，,下行频段为3.7-4.2,GHz，,上行与下行频段带宽均为500,MHz，,通常称为,4/6,GHz,波段，但目前该波段的使用已经非常拥挤。协议,中还分配了另外两个波段，即12/14,GHz,和20/30,GHz,波段,，这两个波段由于频率高，设备昂贵，目前使用还不太,拥挤。,一个典型的通信卫星在4/6,GHz,波段将500,MHz,分配给,12个信号转发器，每个转发器有36,MHz,带宽，因此具有,很强的数据传输能力。由于同步卫星在离地球36000公里,的高空，信号转发时，传输距离很远，所以会产生较大,的延迟，一般在250,ms-300ms,之间，典型值为270,ms，,延,迟值比地面上微波线路要大。因此，卫星传输适合于远,距离、大容量、长报文的数据传输，其传输线路可靠性,高，数据传输的质量也好。,六、串行通信的检错和纠错,信息的正确性对计算机的可靠工作具有极其重要的意,义，但在信息的存储与传输过程中，常可能由于某种干,扰或其他不可靠因素的存在而发生差错。,在串行通信中，由于线路长和噪声干扰的存在，会导,致信息传输过程中出现错误。为保证信息传输的正确性,，必须对传输的数据信息进行差错检查和校正，即检错,和纠错。检错是如何发现传输中的错误，而纠错是发现,错误后如何消除错误。在基本通信协议中，一般采用奇,偶检验或方阵码检错，以反馈重发方式纠错。在高级通,信协议中，一般采用循环衷冗余码（,CRC）,检错，以自,动纠错方式来纠错。,1、奇偶校验,奇偶校验是最简单最常用的校验方法。它的基本原理,是在所传输的有效数据中附加冗余位（即检验位）。利,用冗余位的存在，使整个信息位（包括有效位和检验位）,中“1”的个数具有奇数或偶数的特性。整个信息位经过线,路传输后，若原来所具有的“1”的个数的奇偶性发生了变,化，则说明出现了传输错误，可由专门的检测电路检测,出来。,这种利用信息位中“1”的个数的奇偶性来达到检验,目的的编码称为奇偶校验码。,使整个信息位“1”的个数为,奇数的编码叫奇校验码；而使整个信息位“1”的个数为偶,数的编码叫偶校验码。附加的信息位称为奇偶校验位，简,称校验位。需要传送的数据位本身称为有效信息位。,通常将一个校验过程分为编码和解码两个过程。下面,以偶校验为例说明其编码和解码的过程。,编码：发送器将某一数据发送前，统计有效信息位中,“1”的个数，若为奇数，则在附加的校验位处填“1”；若为,偶数，则在校验位处填“0”，以使整个信息位“1”的个数为,偶数，这一过程也称为配校验位。发送器完成这一过程是,由硬件自动进行的，配好后，则发送出器出去，具体实现,的电路如图8.13所示，所产生的校验位加在有效信息位的,后面，即第8位（有效信息位是7位）。图中最后一位是停,止位，表示一个字符数据的结束。,例1：有效信息位是1011101，采用偶校验，则附加的校,验位是1。最后得到的信息是10111011,例2：有效信息位是1011011，采用奇校验，则附加的校,验位是0。最后得到的信息是10110110,解码：接收器在接收数据时，将接收到的整个信息位（,包括校验位）经由专门的检测电路统计。对于例1，若“1”,的个数仍为偶数，则认为接收的数据是正确的；否则，,表明有差错出现，应停止使用这个数据，要求重新发送，,或作其他专门处理。,接收器的检测也是由硬件自动完成的，参见图8.14，,最后由硬件给出奇偶校验结果供计算机检测。,2、方阵码校验,方阵码校验是奇偶校验与“检验和”的综合。例如，每,个7位编码的字符后附加1位奇偶校验位，以使整个字符,的“1”的个数为偶数或奇数。若干个字符组成一个数据块，,列成方阵，再在纵向按位加，产生一个字符的检验字符,，并将它附在数据的末尾。这一检验字符是所有数据字,符“异或”的结果，反映了整个数据的奇偶性。方阵检验,字符的生成原理如图8.15所示，图中采用偶校验。在数据,接收过程中，数据块读出产生一个检验字符，并与发送,来的检验字符进行比较，若两者不同，说明出现差错，,则以反馈重发来纠错。若两者相同，表示接收数据正确。,字符代码 奇偶位（偶校验位）,0 0 1 0 1 1 1 0,0 1 0 0 0 0 0 1,1 0 1 0 1 1 0 0,1 1 1 1 0 0 0 0,1 1 0 0 0 0 1 1,1 1 1 1 0 0 0 0 检验字符,图8.15 方阵检验字符生成原理,3、,CRC,校验,CRC（Cyclic,Rendundancy,Cheek）,是循环冗余校验的,缩写字母，它是利用编码原理，对传送的二进制码序列,以一定的规则产生一定的校验码，并将校验码放在二进,制序列之后，形成符合一定规则的新的二进制码序列,（称为编码），并将新的二进制码序列发送出去。在接,收时，就根据信息和校验码之间所遵循的规则进行检测,（称为译码），从而检测出传输过程中是否发生差错。,CRC,校验是对整个数据块进行校验，所以同步串行通信,都采用,CRC,校验。, 模2运算,所谓模2相加就是两个二进制数相加的结果被2除，并,以所得的余数作为和数，即进行半加不进位。“模”是取,余数的意思。模2加相当于作异或运算。,例3：1+1=2，它被2除后，余数为0，所以1+1的模2加,法，其结果应为0，记作1+1=0（,mod 2）,或记作11= 0 。, 二进制代码的多项式运算,根据模2加法的运算规则，二进制多项式的加法等于二,进制多项式的减法。,例4：有两个多项式,M,1,(x),和,M,2,(x),则有,M,1,(x)+M,2,(x) = M,1,(x)-M,2,(x),而,进行多项式乘法和除法，则跟普通代数多项式的乘,法和除法一样，例如对除法有：,M,1,(x)/ M,2,(x) = Q(x) + R(x)/ M,2,(x),其中，,Q(x),为,商，,R(x),为余数。若能除尽，则余数,R(x),等于0 。,例5：,M,1,(x) = x,7,+x,6,+1 , M,2,(x) = x,7,+x,5,+x,2,+1,则,M,1,(x) + M,2,(x) = x,6,+x,5,+x,2,M,1,(x) M,2,(x) = x,6,+x,5,+x,2,线性分组码和循环码,二进制码的多项式表示,二进制码可以表示成二进制多项式，例如，二进制码,10101101，其代码多项式,M(x),为：,M(x) = A,7,x,7,+A,6,x,6,+A,5,x,5,+A,4,x,4,+A,3,x,3,+A,2,x,2,+A,1,x,1,+A,0,x,0,= 1x,7,+0x,6,+1x,5,+0x,4,+1x,3,+1x,2,+0x,1,+1x,0,= x,7,+x,5,+ x,3,+x,2,+1,这里,x,的指数,i,仅表示各比特在多项式中的位置，如,i=0,表示第0位，,i=7,表示第7位等。,从上式可看出，二进制多项式的系数取值只能是0或1。,一个8位比特组，可以用7次多项式来表示，以次类推，,n,位的比特组可以用,n-1,次多项式来表示。, 线性分组码和循环码的组成,在一个长度为,k,的二进制信息序列后，附加上一定规则,的校验位,r（r = n k）,后，组成了长度为,n,的二进制信息序,列，称为,n,位循环码，如图8.16所示。,n,位循环码,k,位,r,位,信息段 校验段,图8. 16,n,位循环码,这种码又称为（,n，k）,码。如果,r,个校验位中，每一位,都由,k,个信息位中的某几位线性模2相加得到，则这样的循,环码又称为线性分组码。,例6：信息位为3位（,k=3 )，,设每一段加4个校验位（,r=4）,，,其二进制多项式,T(x),可写成:,T(x) =,x,r,B,(x)+R(x),= x,4,(B,6,x,2,+B,5,x,1,+B,4,x,0,) + (B,3,x,3,+B,2,x,2,+B,1,x,1,+B,0,x,0,),= B,6,x,6,+B,5,x,5,+B,4,x,4,+ B,3,x,3,+B,2,x,2,+B,1,x,1,+B,0,x,0,按如下规则编成一个（7，3）循环码：,B,3,= B,6,B,4,B,2,= B,6,B,5,B,4,B,1,= B,6,B,5,B,0,= B,5,B,4,式中,B,6,、B,5,、B,4,为信息段多项式的系数，,B,3,、B,2,、B,1,和,B,0,是校验段的多项式系数。按上述规则输出的码字可,列表如下：,表8-1： 例6（7，3）循环码的编码,从表中可以得出下面两个性质：, 封闭性：任意两个码字的对应位按模2相加，得到的结,果仍是8个码字中的一个码。这称为“封闭性”，是线性码,的一个重要性质。, 循环性：如果将一个线性码的一个码字循环右移一位，,所得到的码仍是这8个线性码中的一个码字，所以这种线,性码称为循环码。,k,位,信息位对应于一个（,k-1）,次的多项式,B(x)，r,位校,验位（又称冗余位）对应一个（,r-1）,次的多项式,R(x)。,由,k,位信息位后面加上,r,位校验位组成,n=k+r,位的码字，码,字对应于（,n-1）,次的多项式,T(x)，,这里,T(x) =,x,r,B,(x) + R(x),例7：信息位：1011001,B(x) = x,6,+x,4,+ x,3,+ 1,冗余位：1010,R(x) = x,3,+x,1,则码字：10 110011010,T(x) = x,4,B(x) + R(x),= x,10,+x,8,+ x,7,+ x,4,+x,3,+ x,1,冗余位如何产生,由信息位产生冗余位的编码过程，就是已知,B(x),求,R(x),的过程。在,CRC,码中,可以由一个特定的,r,次多项式,G(x)（,其,最高项,x,r,的,系数恒为1），然后用,x,r,B,(x),去除以,G(x)，,得到的余式就是,R(x)。,所以,G(x),称为生成多项式。要指出,的是，这些多项式中的运算都是模2运算，即模2加和模2,减，它们都是不考虑加法进位和减法借位的运算。,其中余式,R(x),的,系数就是冗余位，看下面的例子。,例8：例7中,B(x) = x,6,+x,4,+ x,3,+ 1（,即,信息位是1011001）,若,G(x) = x,4,+x,3,+ 1（,对应代码11001），即,r=4，,则,x,4,B(x) = x,10,+ x,8,+ x,7,+ x,4,(,对应代码为10110010000）,其由模2除法求,R(x),的过程如下：,1101010,11001 10110010000,11001,11110,11001,11110,11001,11100,11001,1010,得到的余数为1010，这就是冗余位，对应的余式,R(x) = x,3,+ x, CRC,校验原理,由于,R(x),是,x,r,B,(x),除以,G(x),的,余式，那么下列关系式必,然满足：,x,r,B,(x) = G(x) Q(x) + R(x),其中,Q(x),是商式。可将上式改写为：,x,r,B,(x) R(x) = G(x) Q(x),根据模2运算规则有,x,r,B,(x) + R(x) =,x,r,B,(x) R(x) ，,所以,上式可写为：,x,r,B,(x) + R(x) = G(x) Q(x),再,改写为：,x,r,B,(x) + R(x) G(x) = Q(x),即,T(x) G(x) = Q(x),由此可见，信道上发送的码字多项式,T(x) =,x,r,B,(x) + R(x),，,若传输过程无错，则接收方收到的码字也对应于此多,项式，即收到的码字多项式也能被,G(x),整除。因此，接收,端的校验过程就是将接收到的码字多项式除以,G(x),的,过程,。若得到的余式为零则认为传输无差错；若余式不为零,则,传输有差错。, 码字多项式和生成多项式,码字多项式,T(x) =,x,r,B,(x) + R(x),是生成多项式,G(x),的,倍数，即它能被,G(x),除,尽；码字多项式,T(x),中的高次项,多项式,x,r,B,(x),的,系数仍是原信息码，而低次项多项式,R(x),是,余数多项式，它的各项系数作为校验码（冗余位），,即,CRC,校验码。,CRC,校验码可以是16位或32位。, 生成多项式,G(x),生成多项式的位数越多其校验能力越强，但并不是任何,一个,r + 1,位的二进制数都可以做生成多项式。目前广泛使,用的生成多项式主要有以下四钟：,CRC,12,= x,12,+ x,11,+ x,3,+ x,2,+ 1,CRC,16,= x,16,+ x,15,+ x,2,+ 1 （IBM,公司）,CRC,16,= x,16,+ x,12,+ x,5,+ 1（CCITT）,CRC,32,= x,32,+ x,26,+ x,23,+ x,22,+ x,16,+ x,12,+ x,11,+ x,10,+ x,8,+ x,7,+ x,5,+,x,4,+ x,2,+ x,+ 1（,目前以太网中广泛采用）,例,9：已知（7，3）循环码，生成多项式,G(x)= x,4,+ x,3,+ x,2,+ 1 ，,设,信息码为,B = 101，,求,CRC,校验码。,解：由题义，可知,k=3，r=4，n=7，,校验位是4位,信息多项式,B(x)= x,2,+ 1 ，,提阶后的,信息多项式为：,x,4,B(x) = x,6,+,x,4,即,Q(x) = x,2,+ x,+ 1 R(x) = x,+ 1,所以4位校验码是0011,第二节 串行通信协议,一、概述,在数据通信中还有一个十分重要的问题就是同步问题。,为使发送、接收的信息准确，发、收两端的动作必须相,互协调配合。倘若两端互不联系、协调，则无论怎样提,高发送和接收动作的时间精度，它们之间也会有极微量,的误差。随着时间的增加，就会有误差积累，最终会产,生失步。发、收动作一旦失步，就不能正确传输信息，,结果会产生差错。因此，整个计算机通信系统能否正确,工作，在很大程度上取决于发、收两端能否很好地同步。,所谓“同步”就是互相通信的双方协调发送和接收之间的动,作,。为了实现同步，互相通信的双方必须就数据传输方,式、同步控制方式、差错处理、应答方式和信号格式等,问题作出共同遵守的一组规定，这种规定称为通信协议。,目前串行通信中数据传输的同步方法有两种，即,异步方,式和同步方式,，相应的有异步通信协议和同步通信协议。,二、异步通信协议,1、串行异步通信时的数据格式,异步方式通信,ASYNC（Asynchronous Data Communication），,又称起止式异步通信，是计算机通信中最常用的数据,信息传输方式。它是以字符为单位进行传输的，字符之,间没有固定的时间间隔要求，而每个字符中的各位则以,固定的时间传送。收、发双方取得同步的方法是采用在,字符格式中设置起始位和停止位。在一个有效字符正式,发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符,位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位,构成一帧。串行异步传输时的数据格式如图8.17所示。,从图中,可以看到以下几点：, 起始位：起始位必须是持续一个比特时间的逻辑“0”电,平，标志传送一个字符的开始。, 数据位：数据位为5-8位，它紧跟在起始位之后，是被,传送字符的有效数据位。传送时先传送字符的低位，后,传送字符的高位。数据位究竟是几位，可由硬件或软件,来设定。, 奇偶位：奇偶校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶,校验，也可以不设奇偶位。, 停止位：停止位为1位、1.5位或2位，可有软件设定。,它一定是逻辑“1”电平，标志着传送一个字符的结束。, 空闲位：空闲位表示线路处于空闲状态，此时线路上,为逻辑“1”电平。空闲位可以没有，此时异步传送的效率,为最高。,例1：试画出用异步协议传送字符“,E”,的波形图。要求加,偶校验位和一位停止位。,解：字符“,E”,的,ASCII,码为45,H，,即1000101，其传送的波,形图如图8.18所示。,2、串行异步通信时的数据接收,串行异步通信时，接收方不断地检测或监视串行输入,线上的电平变化，当检测到有效起始位出现时，便知道,接着是有效字符位的到来，并开始接收有效字符，当检,测到停止位时，就知道传输的字符结束了。经过一段随,机时间间隔之后，又进行下一个字符的传送过程。,通常接收端的采样时钟周期要比传输字符的位周期短，,常用的采样时钟频率为位频率的16倍，采取这种措施是,为了提高抗干扰能力，参看图8.19所示。从图中可知，传,输字符的位周期,T,d,等于采样时钟周期,T,c,的16倍。接收器的,采样时钟的每个上升沿对输入信号进行采样，检验接收,数据线上的低电平是否保持8或9个连续的时钟周期，以,确定传输线上的低电平是否是真的起始位。这样就可以,避免噪声干扰引起的误操作，从而删除假的起始位。相,当精确地确定起始位的中间点，从而提供一个时间基准，,从这个基准开始，每隔16个,T,c,对其余数据位采样，以确,保传输数据的正确性。,保传输数据的正确性，如图8.20所示。一个字符的数据为8位，校验位1,位，停止位1位，其采样的时间基准可确保采样时刻在每一位的中间。,接收端为实现采样数据的基准，可以执行以下步骤：, 在接收端设置一采样时钟频率计数器，当检测到起始,位下降沿时，将其清零，并开始对采样时钟计数，即每,来一个时钟，计数器加1。, 当计数器计到8时，表示已到达起始位的中间位置，此,时采样值为0，说明是真正的起始位，同时将计数器清零；,若采样值不为0，则说明一开始检测到的下降沿不是真正,的起始位前沿，而是一次干扰，此次检测应作废，计数,器清零，并重新开始检测起始位。, 检测到真正的起始位后，计数器清零，以后每次计到,16时，便采样收到的信号波形（即每一位的中间），将,采到的数值暂存起来，同时将计数器清零，重新计数，,直至最后的停止位被采样。, 如果停止位采样正确（为1），则字符被接收，并由暂,存器装入寄存器。若停止位采样值为0，说明同步或传输,有问题，此次采样所得字符作废,不被接收。,3、,异步通信的特点, 起止式异步通信协议传输数据对收发双方的时钟同步,要求不高，即使收、发双方的时钟频率存在一定偏差，只,要不使接收器在一个字符的起始位之后的采样出现错位现,象，则数据传输仍可正常进行。因此，异步通信的发送器,和接收器可以不用共同的时钟，通信的双方可以各自使用,自己的本地时钟。, 实际应用中，串行异步通信的数据格式，包括数据位的,位数、校验位的设置以及停止位的位数都可以根据实际需,要，通过可编程串行接口电路，用软件命令的方式进行设,置。在不同传输系统中，这些通信格式的设定完全可以,不同；但在同一个传输系统的发送方和接收方的设定必,须一致，否则将会由于收、发双方约定的不一致而造成,数据传输的错误与混乱。, 串行异步通信中，为发送一个字符需要一些附加的信,息位，如起始位、校验位和停止位等。这些附加信息位,不是有效信息本身，它们被称为额外开销或通信开销，,这种额外开销使通信效率降低。例如一个字符由7位组成，,加上一位起始位、一位校验位和一位停止位 ，发送一个,字符必须发送10位，而其中只有7位是有效的，其余3位,不是有效的，使通信能力的30%成了额外开销。所以异步,通信适用于传送数据量较少或传输要求不高的场合。对,于快速、大量信息的传输，一般采用通信效率较高的同,步,通信方式。, 串行异步通信依靠对每个字符设置起始位和停止位的,方法，使通信双方达到同步。,三、同步通信协议,1、同步方式通信的特点, 异步方式中并不要求收、发两端对传输数据的每一位,均保持同步，而仅要求在一个字符的起始位后，使其中,的每一位同步。而同步方式通信则要求对传送数据的每,一位都必须在收、发两端严格保持同步，即所谓“位同步”,。因此，同步方式中，收、发两端需用同一个时钟源作,为时钟信号。, 同步方式传送的字符没有起始位和停止位，它不是用,起始位表示字符的开始，收发双方的同步方法可分为,外同步法,和,内同步法,。外同步法是在发送数据之前向接收,端发送一串时钟脉冲，接收端按这个时钟频率调整自己,的时序，使接收时钟频率锁定在接收到的时钟频率上，,并作为同步时钟来接收数据。内同步法是接收端从接收,到的数据信息波形本身提取同步的方法。, 同步通信协议分为面向字符和面向比特两种。,同步通信时，字符数据不允许有空隙。当线路空闲或,没有字符可发送时，可发送收、发双方约定的同步字符。, 同步通信传输效率高，适合于快速、大量数据的传送。,2、同步通信协议概述,如上所说，同步通信协议可分为两类：,面向字符的同步通信协议,，这类协议目前有两种：,BM,国际标准化组织,ISO,提出的基本型同步通信协,议；,BSC IBM,公司提出的二进制同步通信协议。,面向比特的同步通信协议,HDLC ,国际标准化组织,ISO,提出的高级链路控制协,议；,SDLC IBM,公司提出的同步数据链路控制协议；,ADCCP ,美国国家标准化协会,ANSI,提出的先进数,据通信协议；,X.25,第二级,国际电报电话咨询委员会,CCITT,提出,的协议；,DDCMP,美国,DEC,公司提出的数字数据通信信息协议。,3、面向字符的同步通信协议,这种协议较早在二十世纪60年代就开始发展，目前仍在,使用，其典型代表是,IBM,公司提出的二进制同步通信协议,BSC，,下面简单介绍一下这种通信协议。, 面向字符的同步通信协议,BSC,的帧格式,该协议以若干字符组成一个信息块一起发送，一个信,息块称为一帧，用一些特殊定义的字符来定界一帧的开,始、结束和分隔不同的段以及控制整个信息交换过程。,此种协议的一般帧格式如图8.21所示。, 特殊定义的字符,SYN,是同步字符，每帧开始有若干个,SYN。,接收端一,SYN SYN SOH,标题,STX,数据块,ETB,或,ETX,块校验,图8.21 面向字符的同步通信协议的帧格式,旦检测到同步字符,SYN，,就知道一帧开始了。,SOH（Start of Header）,表明标题的开始，称为序始符。,标题中可以包括源地址、目的地址和路由指标等信息。,STX（Start of Text）,称为文始符，标志着传送数据正文的开始。,数据块是传送正文的内容。,ETB（End of Transmission Block）,称为组终符,ETX（End of Text）,称为文终符。,ETB,用在正文很长，需分成若干个数据块，在不同帧中传送的情况，除最后,一个数据块后用 外，其余数据块后都用,ETB。,块校验是对前面从,SOH,开始，直到,ETX（,或,ETB）,进行,检验产生的校验码，可以用奇偶校验，也可以用,CRC,校,验。除上面提到的特殊字符外，还有一些其它字符起着,通信控制作用，参见下表。,名 称,ASCII,码,名 称,ASCII,码,序始符SOH,0000001,送毕符,EOT,0000101,文,始符,STX,0000010,询问符,ENQ,0000101,组终符,ETB,0010111,确认符,ACK,0000110,文终符ETX,0000011,否认符,NAK,0010101,同步符,SYN,0010110,转义符,DLE,0010000,面向字符的同步通信协议与异步通信协议相比，由于,不需要在每个字符的前后加起始位和停止位，所以传输,效率明显提高，尤其是当传输较长数据时效果更明显。,这种协议与特定的字符编码集关系密切，所以不利于,兼容，并且实现起来也比较麻烦，为了克服这些缺点，,产生了面向比特的同步通信协议。,4、面向比特的同步通信协议,面向比特的同步通信协议也可叫做面向位的同步通信协,议，它有很多种，主要是,SDLC、HDLC,和,ADCCP。,这些,协议大同小异，只有一些微小的差别，他们在一帧所传,输的数据位不必是字符的整数倍，只要不超过规定的数,据位总长度，可以为任意长度的比特位。此外，也不需,要用,特定定义的字符，而是用规定的比特模式来定界一,帧的开始、结束以及定义控制信息，故称为面向比特的,同步通信协议。这些协议中最著名和常用的是高级数据,链路控制协议,HDLC,和同步数据链路控制协议,SDLC，,这,两种协议有几乎相同的帧格式，参见图8.22。下面我们对,HDLC,协议作简单介绍。,四、高级数据链路控制协议,HDLC,1、HDLC,的帧格式,HDLC,在,链路上以帧作为传输信息的基本单位，帧格,式的内容由5个部分组成，如图8.23所示。, 标志场,F,HDLC,以帧为单位传输，每一帧以一个标志字符开始，,且以同一字符结束。这个标志字符使用唯一的8比特系,列01111110。, 地址场,A,在标志场后是8比特的地址场，用于指明次站的地址。对,于命令帧，用作接收该帧的次站地址；对于响应帧，用于,作出应答的次站地址，次站一般情况下是单站。在用广播,方式发送时，次站是群站，地址段为11111111，则表示为,广播地址。,地址场可扩展为16比特，以扩大寻址范围，,SDLC,协议,与,HDLC,协议的差别就是它的地址场为16位。, 控制场,C,地址场后面是控制场，共有8比特，用于表示命令和响,应的类别和功能。,HDLC,的帧,分为三类，根据该场的前两位来区分。第一,位为0，表示是信息帧,I，,若第一位为1，表示是监控帧,S,或,无编号帧,U。S,帧和,U,帧的区别取决于第二位，第二位为0是,监控帧，第二位为1是无编号帧，如图8.23(,b),所示。,控制场也可以扩展为16位，但基本格式不变，仅将,N(S),和,N(R),从3比特扩展为7比特。,控制场中的,P/F（Poll/Final）,位是探询/结束位，对于主,站为探询位，,P,为1时，要求次站给出响应；对于次站为,表示最后帧位，,F,为1表示次站响应的最后帧，预告传输,将结束。, 信息场,I,信息场中包含要传送的数据，其长度是任意的 。三类,帧中，只有信息帧中含有信息场。实际应用中受有关站,点缓冲区容量的限制和链路差错特性的限制，通常给出,最大长度。, 帧校验场,FCS,帧校验场用于差错校验，通常采用16位,CRC,校验，校,验范围是从地址段开始到信息段，标志场和自动插入的,“0”位不参加,CRC,校验。,2、“0”比特插入和删除技术,01111110作为标志字节出现在帧格式的开始和结束，,若在信息场或其他场中也有这种字符，就无法区别。为,了保证标志字节的唯一性，使之不与其他场中的信息混,淆，采用了“0”比特插入和删除技术。,发送方在发送标志字符外的所有信息（包括地址场、,控制场和校验场）时，只要遇到连续5个二进制“1”，就,自动插入一个“0”。当接收方接收数据时（标志场除外），,如果连续收到5个二进制“1”，就自动地将其后的一个“0”,删除，以恢复信息的原