串行通信及接口电路.pptx
微机原理及接口教 学 课 件本章主要内容串行通信基础串行通信接口标准可编程串行通信接口芯片Intel 8251A的结构、编程及应用第1页/共49页形形色色的串口设备微机原理及接口教 学 课 件第2页/共49页并行通信和串行通信主要区别:数据传输方式，连线数量微机原理及接口教 学 课 件并行通信并行通信DnD0计算机计算机或外设数据线信号地控制/联络线数据线信号地控制/联络线计算机计算机或外设串行通信第3页/共49页8.1 8.1 串行通信基础串行通信：用一根信号线将数据逐位顺序传送串行通信的优势：通信线路少，在远距离通信时可以极大地降低成本；适合于远距离数据传送，也常用于速度要求不高的近距离数据传送PC系列机上有两个串行异步通信接口，键盘/鼠标器/显示器与主机间亦采用串行数据传送。微机原理及接口教 学 课 件第4页/共49页一、串行通信的传输方式两层含义：信号传输方式信号原样或调制成高频载波信号 线路传输方式通信双方线路的传输方式微机原理及接口教 学 课 件1 1、信号传输方式：信号的调制与解调数字信号数字信号模拟信号计算机 MODEM计算机 MODEM第5页/共49页 波形的三个基本特性决定有三种对应的信号调制技术：幅移键控、频移键控和相移键控微机原理及接口教 学 课 件2 2、线路传输方式：数据流向及线路使用方式全双工A单工B半双工ABAB复用器多工复用器S1SnS1Sn第6页/共49页二、串行通信的种类串行异步通信不传送时钟信号，利用字符的再同步技术，实现一个个数据传送的通信方式串行同步通信传送时钟信号，利用同步时钟和同步字符技术，实现一批数据传送的通信方式微机原理及接口教 学 课 件第7页/共49页1.同步通信通信双方使用同一时钟以数据块（帧）为传输单位双方使用同一时钟（主控方提供时钟，被控方接收时钟）外同步：时钟信号另外安排一根传输线自同步：发送时将时钟信号与数据混合编码，接收时译码出时钟（单同步、双同步）数据格式：每个数据块前加12个同步字符（同步头）进行帧同步，一般采用CRC循环冗余校验码同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路比较复杂串行同步通信主要应用在网络当中，最常使用的同步通信协议有高级数据链路控制协议（HDLC）微机原理及接口教 学 课 件第8页/共49页同步通信的数据格式：同步通信的数据格式：微机原理及接口教 学 课 件同步字符数据场CRC 1CRC 2单同步格式同步字符1 1 同步字符2 2数据场CRC 1CRC 2双同步格式数据场CRC 1 CRC 2外同步格式标志符01111110地址符8位数据场CRC 1 CRC 2 SDLC格式标志符01111110标志符01111110地址符8位控制符8位数据信息CRC 1 CRC 2标志符01111110 HDLC格式面向字符面向位第9页/共49页2.异步通信通信双方使用各自的时钟串行异步通信以字符为单位进行传输，各个字符可以连续传送，也可以间断传送。异步通信双方各自用自己的时钟信号来控制发送和接收，通信是随机进行的串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程）：传送速率/信息格式/位同步/帧同步/数据校验/错误处理数据格式：起止式异步通信协议（NRZ）微机原理及接口教 学 课 件第10页/共49页起止式异步通信协议：起始位每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平微机原理及接口教 学 课 件起始位附加位停止位空闲位数据位低位高位字符0/10/1 0/10/10/10/10/10/11 10 01 11 11 1数据位数据位紧跟着起始位传送。由58个二进制位组成，低位先传送附加位该位可用于校验或数据标识：可选择奇检验、偶校验或无校验位停止位表示该字符传送结束。停止位为逻辑1电平，可选择1、1.5、2位。空闲位传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行传送第11页/共49页异步串行格式演示：微机原理及接口教 学 课 件第12页/共49页三、串行通信的传输速率数据传输速率也称比特率（Bit Rate）每秒传输的二进制位数bps字符中每个二进制位持续的时间长度都一样，为数据传输速率的倒数传输速率反映了串行通信的速率，也反映了对传输通道的要求每位传送时间的倒数，当进行二进制数码传输，且每位时间长度相等时，比特率还等于波特率（Baud Rate），使用调相技术可以同时传输2位或4位，这时，传输速率大于波特率。过去，串行通信（异步）的数据传输速率限制在50 bps到9600 bps之间。现在，串行通信可以达到115200 bps或更高微机原理及接口教 学 课 件第13页/共49页三、串行通信的传输速率微机原理及接口教 学 课 件举例：在异步传输过程中，设每个字符对应举例：在异步传输过程中，设每个字符对应1 1个起始位，个起始位，7 7个数据位，个数据位，1 1个奇偶个奇偶校验位和校验位和1 1个停止位，如果波特率为个停止位，如果波特率为12001200，请计算每秒最多能传输多少个字符，请计算每秒最多能传输多少个字符？若同样波特率，用同步传输，用？若同样波特率，用同步传输，用4 4个同步字符作信息帧，每秒最多能传输多个同步字符作信息帧，每秒最多能传输多少个字符？少个字符？解：异步传输，每个字符共有解：异步传输，每个字符共有1010位位 每秒最多能传输字符为每秒最多能传输字符为 12001200位位/秒秒1010位位/字符字符=120=120（字符（字符/秒）秒）同步传输，传输同步传输，传输100100个字符所用的时间为个字符所用的时间为 7*7*（100+4100+4）/1200=0.6067/1200=0.6067秒秒 每秒最多能传输字符为每秒最多能传输字符为 100100字符字符 0.60670.6067秒秒=165=165（字符（字符/秒）秒）由此得出结论：在同样的传输速率下，同步传输的字符比异步传输的多。由此得出结论：在同样的传输速率下，同步传输的字符比异步传输的多。第14页/共49页四、信息的检错与纠错（差错控制技术）检错：发现传输中的错误奇偶检验方阵码检验循环冗余码CRC检验纠错：消除错误的方法重发纠错自动纠错混合纠错微机原理及接口教 学 课 件第15页/共49页8.2 8.2 串行接口标准RS-232CRS-232C美国电子工业协会EIA制定的通用标准串行接口1962年公布，1969年修订，1987年1月正式改名为EIA-232D设计目的是用于连接调制解调器现已成为数据终端设备DTE与数据通信设备DCE的标准接口，只控制DTE与DCE之间的通信 DTE数据终端设备，例如计算机DCE数据通信设备（数传机），例如调制解调器）DTE实际上是数据的信源或信宿，而DCE则完成数据由信源到信宿的传输任务可实现远距离通信，也可近距离连接两台微机属于网络层次结构中的最低层：物理层微机原理及接口教 学 课 件第16页/共49页微机原理及接口教 学 课 件DTEDCEDCEDTE调制解调器调制解调器计算机计算机电话线RS-232C接口RS-232C接口RS-232CRS-232C接口的使用场合：第17页/共49页一、一、RS-232CRS-232C的机械电气特性的机械电气特性232C接口标准使用一个25针连接器，包括4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线绝大多数设备只使用其中9个信号，所以就有了9针连接器232C接口信号面向使用调制解调器的串行异步通信，可支持两个通信信道：主信道：用于数据传送次信道：次信道为辅助串行通道，主要提供通道控制，但其传输速率比主信道要低得多，其他跟主信道相同，通常较少使用微机原理及接口教 学 课 件第18页/共49页RS-232CRS-232C的引脚定义：的引脚定义：3组重要信号TXD/RXD,RTS/CTS,DTR/DSR微机原理及接口教 学 课 件RI9CTS8RTS7DSR6GND5DTR4TXD3RXD2DCD1第19页/共49页RS-232CRS-232C的引脚（的引脚（1 1）：）：TxD：（Transmitted data）发送数据（终端数传机）串行数据的发送端RxD：（Received data）接收数据（终端数传机）串行数据的接收端微机原理及接口教 学 课 件第20页/共49页RS-232CRS-232C的引脚（的引脚（2 2）：）：DTR：（Data set ready)数据终端准备好（终端数传机）通常当数据终端设备一加电，该信号就有效，表明数据终端设备准备就绪DSR：(Data set ready)数据装置准备好（终端数传机）通常表示数据通信设备（即数据装置）已接通电源连到通信线路上，并处在数据传输方式DTR和DSR也可用做数据终端设备与数据通信设备间的联络信号，例如应答数据接收,此两信号只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了微机原理及接口教 学 课 件第21页/共49页RS-232CRS-232C的引脚（的引脚（3 3）：）：RTS:(Request to send)请求发送（终端数传机）当数据终端设备准备好送出数据时，就发出有效的RTS信号，用于通知数据通信设备准备接收数据CTS:(Clear to send-CTS）清除发送（允许发送）（终端数传机）当数据通信设备已准备好接收数据终端设备的传送数据时，发出CTS有效信号来响应RTS信号RTS和CTS是数据终端设备与数据通信设备间一对用于数据发送的联络信号微机原理及接口教 学 课 件第22页/共49页RS-232CRS-232C的引脚（的引脚（4 4）：）：GND：信号地为所有的信号提供一个公共的参考电平CD：载波检测（DCD）（终端数传机）当本地调制解调器接收到来自对方的载波信号时，该引脚向数据终端设备提供有效信号RI：振铃指示（终端数传机）当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫微机原理及接口教 学 课 件第23页/共49页RS-232CRS-232C的引脚（的引脚（5 5）：）：保护地（机壳地）起屏蔽保护作用的接地端，一般应参照设备的使用规定，连接到设备的外壳或大地TxC：发送器时钟控制数据终端发送串行数据的时钟信号RxC：接收器时钟控制数据终端接收串行数据的时钟信号微机原理及接口教 学 课 件第24页/共49页RS-232CRS-232C的电气特性：的电气特性：232C接口采用EIA电平（负逻辑）“0”电平为3V15V“1”电平为3V15V实际常用12V或15V微机原理及接口教 学 课 件n标准TTL电平（正逻辑）n“1”电平：2.4V5Vn“0”电平：0V0.8V相互转换相互转换MAX232+5V第25页/共49页二、二、RS-232CRS-232C的连接的连接微机利用232C接口连接调制解调器，用于实现通过电话线路的远距离通信微机利用232C接口直接连接进行短距离通信。这种连接不使用调制解调器，所以被称为零调制解调器（Null Modem）连接微机原理及接口教 学 课 件第26页/共49页1 1、连接调制解调器、连接调制解调器微机原理及接口教 学 课 件电话线MODEM微机2345678202223456782022MODEM23456782022数据装置准备好DSR数据终端准备好DTR发送数据TxD接收数据RxD请求发送RTS允许发送CTS信号地GND载波检测CD振铃指示RI微机23456782022第27页/共49页2 2、不使用联络信号的、不使用联络信号的3 3线相连方式线相连方式微机原理及接口教 学 课 件微机TxDRxDGND微机为了交换信息，为了交换信息，TxD和和RxD交叉连接，程序中不必交叉连接，程序中不必使使RTS和和DTR有效，也不检测有效，也不检测CTS和和DSR是否有效是否有效 TxDRxD第28页/共49页3 3、“伪伪”使用联络信号的使用联络信号的3 3线相连方式线相连方式微机原理及接口教 学 课 件RTS和和CTS各自互接，各自互接，DTR和和DSR各自互接，表明各自互接，表明请求传送总是允许、数据装置总是准备好请求传送总是允许、数据装置总是准备好微机DSRDTRTxDRxDRTSCTSGND微机TxDRxDDSRDTRRTSCTS第29页/共49页4 4、使用联络信号的多线相连方式、使用联络信号的多线相连方式微机原理及接口教 学 课 件通信比较可靠，所用连线较多，不如前者经济通信比较可靠，所用连线较多，不如前者经济微机DSRDTRTxDRxDRTSCTSGND微机DSRDTRTxDRxDRTSCTS第30页/共49页三、其它串行总线三、其它串行总线RS-422A总线采用平衡输出的发送器，差分输入的接收器。输出信号线间的电压为2v，接收器的识别电压为0.2v。共模范围25v RS-485适用于收发双方共用一对线进行通信，也适用于多个点之间共用一对线路进行总线方式联网，通信只能是半双工USBIEEE1394 微机原理及接口教 学 课 件-+TTLTTLRS422第31页/共49页8.3 8.3 可编程串行通信接口芯片8251A8251A主要内容微机原理及接口教 学 课 件 8251A 8251A的功能特点的功能特点 8251A 8251A的内部结构的内部结构 8251A 8251A的外部引脚的外部引脚 8251A 8251A的编程的编程第32页/共49页一、一、8251A8251A的功能特点的功能特点使用单一+5V电源和单相时钟。接收、发送数据分别有各自的缓冲器，可以进行全双工通信。提供与外部设备，特别是调制解调器的联络信号，便于直接和通信线路相连接。可以设定奇校验或偶校验。校验位的插入、检错及剔除都由芯片本身完成。用于异步通信时，每个字符的位数可以是58位，停止位可选1位、1.5位或2位，波特率为019200波特，时钟频率可设为波特率的1倍、16倍或64倍。用于同步通信时，每个字符的位数58位可选，波特率的范围为096000波特。可设为单同步、双同步或者外同步，同步字符可由用户自行设定。微机原理及接口教 学 课 件第33页/共49页二、二、8251A8251A的内部结构的内部结构微机原理及接口教 学 课 件发送器发送控制 TxD TxRDY TxE TxC接收器接收控制 RxD RxRDY SYNDET RxC读/写控制逻辑RESETCLKC/DRDWRCS调制/解调控制DTRDSRRTSCTSD7D0状态字缓冲寄存器接收数据缓冲寄存器发送数据/命令缓冲器数据总线缓冲器第34页/共49页8251A8251A接收器的工作过程：接收器的工作过程：8251A在异步方式接收中，当接收器接收到有效的起始位后，便接收后续的数据位、奇偶校验位和停止位等。然后将数据送入寄存器。此后RxRDY输出高电平，表示已收到一个字符，CPU可以来读取。8251A在同步方式接收中，若程序设定8251A外同步接收，则SYNDET用于输入外同步信号（来自MODEM），SYNDET的正跳变启动接收数据。若程序设定8251A内同步接收，则8251A先搜索同步字符（同步字符事先由程序装在同步字符寄存器中）。每当RxD线上收到一位信息就移入接收寄存器并和同步字符寄存器内容比较，若不相等则接收下一位后比较，直到两者相等。此时SYNDET输出高电平，表示已搜索到同步字符。接下来便把接收到的数据逐个地装入接收数据寄存器。微机原理及接口教 学 课 件第35页/共49页8251A8251A发送器的工作过程：发送器的工作过程：8251A异步方式发送中，发送器在数据前加上起始位，并根据编程设定在数据后加上校验位和停止位等，然后作为一帧信息从TxD端逐位发送。8251A同步方式发送中，发送器先发送同步字符，然后逐位发送数据。若CPU没有及时把数据写入发送缓冲器，则8251A用同步字符填充，直至CPU写入新的数据。微机原理及接口教 学 课 件第36页/共49页三、三、8251A8251A的引脚的引脚（与（与CPUCPU接口信号）接口信号）D7D0：双向、三态数据线。CLK：时钟信号，输入。RESET：复位信号，输入，高电平有效。CS：片选信号，输入，低电平有效。C/D：控制/数据端口选择输入线。RD，WR：读选通信号，写选通信号，输入，低电平有效。RxRDY：接收准备好状态，输入，高电平有效。SYNDET：同步状态输出信号，或者外同步输入信号。TxRDY：发送准备好状态，输出，高电平有效。TxE：发送缓冲器空闲状态，输出。微机原理及接口教 学 课 件RD*RD*SYN/BRKD2 D1D2 D1D3 D0D3 D0RXD VCCRXD VCCGND RXC*GND RXC*D4 DTR*D4 DTR*D5 RTS*D5 RTS*D6 DSRD6 DSRD7 RESETD7 RESETTXC*CLK TXC*CLK WR*TXDWR*TXDCS CS TXEMPTTXEMPTC/D*CTS*C/D*CTS*RXRDY TXRDYRXRDY TXRDY8251A第37页/共49页三、三、8251A8251A的引脚的引脚（与外设接口信号）（与外设接口信号）RxD，TxD：串行数据输入，串行数据输出。RxC，TxC：接收器时钟输入，发送器时钟输入。DTR：数据终端（CPU）准备好状态，输出，低电平有效。DSR：数据装置（MODEM）准备好状态，输入，低电平有效。RTS：请求发送信号，输出，低电平有效。CTS：允许传送信号，输入，低电平有效。微机原理及接口教 学 课 件第38页/共49页四、四、8251A8251A的编程的编程8251A的串行通信要靠命令控制和状态查询等配合完成。8251A除了发送、接收数据字符以外，还有与之相关的方式控制字、命令控制字和状态字的操作。微机原理及接口教 学 课 件第39页/共49页1 1、方式控制字、方式控制字 决定8251的工作方式微机原理及接口教 学 课 件波特率系数00:同步101:异步110:异步1611:异步6400:5位数据位01:6位数据位10:7位数据位11:8位数据位0:不校验0 1:奇校验1 1:偶校验0:内同步0 1:双同步字1 1:单同步字00:无效01:1位停止位10:1.5位停止位11:2位停止位D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0异步同步方式?同步第40页/共49页2 2、命令控制字、命令控制字 给定8251命令使其处于某种允许状态微机原理及接口教 学 课 件请求发送1：迫使RTS输出0进入搜索方式1：进行SYNC搜索内部复位1：8251A内部复位出错复位1：复位错误标志D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ENI RRTSERSBRKRXEDTRTXEN发送允许1：允许，0：禁止接收允许1：允许，0：禁止发送断点字符1：迫使TxD为低，0：正常数据终端准备好1：迫使DTR输出0第41页/共49页3 3、状态字、状态字 反映8251内部和引脚状态微机原理及接口教 学 课 件1：发送缓冲器空，CPU可送数。0：稍等D0D1D2D3D4D5D6D7TXRDYRXRDYTXEPEOEFESYNDSR1：CPU可取数 0：稍等1：发送器（并/串转换器）空1：奇偶错1：溢出错未取走字符，又输入了下一个字符1：帧格错未检测到有效停止位1：找到同步字符（SYNDEN引脚的状态位）1：DSR=0（DSR引脚的状态位）第42页/共49页4 4、8251A8251A的编程设置的编程设置8251A的初始化流程在确保8251A复位情况下进行。首先输入方式控制字，以决定通信方式、数据位数、校验方式等，若是同步通信方式则紧接着输入1/2个同步字符，若是异步方式则这一步可省略，最后送入命令控制字。8251A初始化过程的信息全部写入控制端口，特征是C/D=1。微机原理及接口教 学 课 件N8251A复位设置方式控制字同步方式输入同步字符输入第2个同步字符设置命令控制字传送数据YYNNNYY复位8251?传送完?双同步第43页/共49页5 5、8251A8251A的应用的应用微机原理及接口教 学 课 件【例【例1 1】设设8251A8251A工作于异步方式，波特率系数为工作于异步方式，波特率系数为6464，字符总长，字符总长度为度为1111位，接收允许，发送允许，错误位复位，设位，接收允许，发送允许，错误位复位，设8251A8251A的的端口号为端口号为FEHFEH，试进行初始化编程。，试进行初始化编程。解：方式选择控制字为：11111011B11111011B 命令控制字为：00010101B00010101B MOV AL,11111011B MOV AL,11111011B OUT 0FEH,AL OUT 0FEH,AL MOV AL,00010101B MOV AL,00010101B OUT 0FEH,AL OUT 0FEH,AL第44页/共49页5 5、8251A8251A的应用的应用 微机原理及接口教 学 课 件解：MAX232MAX232实现TTLTTL电平与EIAEIA电平转换。8251A8251A的CLKCLK时钟频率2MHz2MHz，发送时钟TxCTxC和接收时钟RxCRxC由82538253的计数器2 2的输出OUT2OUT2提供。82538253的计数器2 2工作于方波方式，分频值5252，则OUT2OUT2输出频率约为38.46KHz38.46KHz。要求8251A8251A的波特率为24002400，波特率因子选1616。8251A8251A的片选信号由CPUCPU的地址线A7-A2A7-A2译码输出，奇端口地址0DAH0DAH，偶端口地址0D8H0D8H。8251A8251A设置方式字之前，先送3 3个0 0再送40H40H，确保8251A8251A复位。【例2 2】在微机系统中，8251A8251A作为CRTCRT显示器、键盘串行通信接口，要求对8251A8251A进行初始化编程，并编写发送程序和接收程序。第45页/共49页电路图：电路图：微机原理及接口教 学 课 件译码器A7A2 CLKTxC TxDRxC DTRRD 8251AWRC/DD7D0 DSR RxDCS CTSMAX232+5V主频2MHz+5VTxDTDRDSRRxDIORIOWA0A1D7D0CLK28253 RD WR A0 OUT2 A1 CS+5V第46页/共49页程序：程序：微机原理及接口教 学 课 件;初始化编程初始化编程CSHCX:MOV AX,0CSHCX:MOV AX,0 MOV CX,03H MOV CX,03H MOV DX,0DAH MOV DX,0DAH BBB:CALL YYY BBB:CALL YYY LOOP BBB LOOP BBB;内部复位内部复位 MOV AL,40HMOV AL,40H CALL YYY CALL YYY;异步、波特率因子异步、波特率因子1616、8 8位数据位、位数据位、1 1位停止位停止 MOV AL,4EHMOV AL,4EH CALL YYY CALL YYY;发送器和接收器启动发送器和接收器启动 MOV AL,27HMOV AL,27H CALL YYY CALL YYY ;写写82518251子程序子程序YYY:OUT DX,ALYYY:OUT DX,AL PUSH CX PUSH CX MOV CX,02H MOV CX,02HDDD:LOOP DDDDDD:LOOP DDD POP CX POP CX RET RET;发送子程序发送子程序;查状态字查状态字TxRDYTxRDYSEND:MOV DX,0DASEND:MOV DX,0DACCC:IN AL,DXCCC:IN AL,DX TEST AL,01H TEST AL,01H JZ CCC JZ CCC MOV DX,0D8H MOV DX,0D8H POP AX POP AX OUT DX,AL OUT DX,AL RET RET;接收子程序接收子程序;查状态字查状态字RxRDYRxRDYRECE:MOV DX,0DAHRECE:MOV DX,0DAHEEE:IN AL,DXEEE:IN AL,DX TEST AL,02H TEST AL,02H JZ EEE JZ EEE MOV DX,0D8H MOV DX,0D8H IN AL,DX IN AL,DX RET RET第47页/共49页微机原理及接口教 学 课 件思考题：思考题：1.1.完成两台完成两台PCPC机之间的通信，画出硬件连接图和软件机之间的通信，画出硬件连接图和软件编程。编程。2.2.画出画出PCPC机与单片机通信连接图，并在上位机用机与单片机通信连接图，并在上位机用VBVB语语言编写串行通信接口程序。言编写串行通信接口程序。第48页/共49页微机原理及接口教 学 课 件谢谢您的观看！第49页/共49页
