第9章 串行通信及串行接口

第9章串行通信與串行接口一、概述二、串行通信的基本概念三、串行接口四、串行傳送的實(shí)現(xiàn)五、可編程異步通信接口芯片8250/8251六、IBMPC/XT異步通信適配器電路七、通用串行總線接口USB9.1串行通信的基本概念計(jì)算機(jī)與外界的信息交換稱為通信。通信的兩種基本方式：并行通信和串行通信。并行通信：數(shù)據(jù)各位同時(shí)在多根傳輸線上進(jìn)行傳送的通信方式。串行通信：就是數(shù)據(jù)在一根傳輸線上一位一位的按順序傳送的通信方式。并行通信的特點(diǎn)：傳送速度快，需要多條數(shù)據(jù)線，造價(jià)高；適合于短距離傳送。串行通信的特點(diǎn)：僅需要一條傳輸線傳輸信息，傳送速度較低，成本低，適合遠(yuǎn)距離的信息傳輸。串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)MODEM信道(傳輸線路)MODEM計(jì)算機(jī)或終端2.半雙工通信：每次只有一個(gè)站發(fā)送，即只能由A發(fā)送到B，或由B發(fā)送到A，不能A和B同時(shí)發(fā)送。3.全雙工通信：

同時(shí)兩個(gè)站都能發(fā)送。站A站B站A站B（一）數(shù)據(jù)的傳送方向

通常數(shù)據(jù)傳送可分為：

1.單工通信：

只允許一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)。站A站B2.信道的帶寬

信道是電信號(hào)通過的路徑，信道傳輸信號(hào)的頻率范圍稱為信道的帶寬（Bandwidth）。信道的帶寬由——傳輸媒體；有關(guān)的附加設(shè)備；共同決定信號(hào)的頻率；帶寬的衡量——通常用一個(gè)信道的截止頻率來衡量。

截止頻率：當(dāng)一些頻率信號(hào)通過時(shí),對(duì)某個(gè)頻率信號(hào)產(chǎn)生較大衰減的頻率。

1.信道——信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃▊鬏斆襟w及有關(guān)的中間通信設(shè)備。有線信道的傳輸媒體有架空線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維等，考慮到傳輸時(shí)信號(hào)產(chǎn)生衰減，每隔一定距離要設(shè)置中繼器等放大設(shè)備。（二）信道的帶寬和傳輸速率3.傳輸速率

指一個(gè)信道每秒鐘傳送的二進(jìn)制的位數(shù)。

（bitpersecond——bps）——波特率

信道的最大傳輸速率受信道的帶寬的限制。異步通信傳輸速率為50~9600bps。（三）信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)

計(jì)算機(jī)的通信是要求傳送數(shù)字信號(hào)，而在進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信時(shí)，線路往往是借用現(xiàn)有的公用電話網(wǎng)，但是，電話網(wǎng)是為音頻模擬信號(hào)的設(shè)計(jì)的。一般為300～3400Hz，不適合于數(shù)字信號(hào)。因此需要對(duì)二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以適合在電話網(wǎng)上傳輸相應(yīng)的音頻信號(hào)，在接收時(shí)，需要進(jìn)行解調(diào)，還原成數(shù)字信號(hào)。調(diào)制：所調(diào)調(diào)制就是進(jìn)行波形變換?；蛘哒f進(jìn)行頻譜變換，就是將基帶數(shù)字信號(hào)的頻譜變換成適合于在模擬信道中傳輸?shù)念l譜。解調(diào)：將已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)恢復(fù)成原來的數(shù)字信號(hào)的過程。作用:調(diào)制器(Modulator)是一個(gè)波形變換器,它將基帶數(shù)字的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ?。解調(diào)器（Demodulator）是一個(gè)波形識(shí)別器,將模擬信號(hào)恢復(fù)成原來的數(shù)字信號(hào)。調(diào)制器解調(diào)器010010010010調(diào)制方法:最基本的調(diào)制方法有以下幾種：（1）調(diào)幅（AM）即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化.“1”對(duì)應(yīng)有載波“0”對(duì)應(yīng)無載波（2）調(diào)頻（FM）

即載波頻率隨數(shù)字信號(hào)而變化“0”對(duì)應(yīng)”f1”“1”對(duì)應(yīng)“f2”(3)調(diào)相（PM）

即載波初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化.“0”對(duì)應(yīng)相位0度“1”對(duì)應(yīng)相位180度f1f2FMAM0100110度180度PM(四)串行通信的類型

在數(shù)據(jù)通信中，傳輸?shù)膶?duì)象是一系列的0，1，這些0，1在不同的位置有不同的含義，這些含義都要事先約定好。在串行通信中，有兩種最基本的通信方式：

異步通信方式同步通信方式1.異步串行通信

在發(fā)送一個(gè)字符時(shí)，包含一個(gè)起始位，若干數(shù)據(jù)位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，1~2位停止位。00/10/10/1111起始位

1位數(shù)據(jù)位

5、6、7、8位不等校驗(yàn)位

1位停止位1、1.5、2位不等空閑位一個(gè)幀結(jié)構(gòu)

起始位：用來通知接收器已經(jīng)開始字符傳送。接收器收到這個(gè)信號(hào)后，開始裝配一個(gè)字符。目的——是接收器和發(fā)送器能夠同步工作。終止位：保證下一個(gè)字符的起始位在通信線路上能夠同步工作。

奇偶校驗(yàn)位：檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。低位高位例如：傳送一個(gè)字符“E”，（ASCⅡ碼為：1000101B=45H）

11010100010

1

111起始位數(shù)據(jù)位校驗(yàn)位停止位空閑位停止位異步通信方式是按字符傳輸?shù)模總€(gè)字符包含一個(gè)起始位，若干數(shù)據(jù)位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，1~2位停止位。從一個(gè)字符到下一個(gè)字符之間，沒有固定的時(shí)間間隔，故稱之為異步傳輸方式。它的傳輸，靠起始位的起始信號(hào)，使發(fā)、收雙方在一個(gè)字符的傳輸時(shí)間內(nèi)保持同步，以保證正確接收。

2.同步通信方式

在異步通信中，每一個(gè)字符要用起始位和停止位標(biāo)志字符傳輸?shù)拈_始與結(jié)束，占用了時(shí)間。在同步傳輸中，去掉這些控制位，把字符順序地連接起來，組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，這樣的數(shù)據(jù)塊稱為一個(gè)記錄。在紀(jì)錄的開始加同步字符，在紀(jì)錄的末尾加出錯(cuò)校驗(yàn)字符，形成幀。~~~~同步字符同步字符數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼同步字符的格式和個(gè)數(shù)根據(jù)需要而定。

在同步方式中，接收器接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先搜索同步字符，在得到同步字符后，才開始裝配數(shù)據(jù)。同步傳送的速度高于異步，但它要求用同步時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端之間的同步，故硬件復(fù)雜。

同步方式常用于：計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī)之間的通信；計(jì)算機(jī)到CRT/外設(shè)之間的通信。同步通信方式是以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，在幀的開始加同步字符，在幀的末尾加出錯(cuò)校驗(yàn)字符，它要求用同步時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端之間的同步，故稱之為同步傳輸方式。（五）串行通信的校驗(yàn)方法

串行通信主要適用于遠(yuǎn)距離通信，因而噪聲和干擾較大，為了保證高效而無差錯(cuò)地傳送數(shù)據(jù)，對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)就成了串行通信中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

常用的校驗(yàn)方法有：奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）發(fā)送時(shí)：在每一個(gè)字符的最高位后都附加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位；接收時(shí)：檢查所接收的字符連同奇偶校驗(yàn)位，若“1”的個(gè)數(shù)不符合規(guī)定，則傳輸錯(cuò)，由CPU進(jìn)行處理。1.奇偶校驗(yàn)奇校驗(yàn)：當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)的時(shí)候，這個(gè)校驗(yàn)位就是“1”，否則這個(gè)校驗(yàn)位就是“0”。偶校驗(yàn)：當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)的時(shí)候，這個(gè)校驗(yàn)位就是“0”，否則這個(gè)校驗(yàn)位就是“1”。2.循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）

它對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行校驗(yàn)，主要用于同步方式。

（六）串行接口計(jì)算機(jī)MODEMMODEM計(jì)算機(jī)或終端信道（傳輸線路）串行接口串行接口要進(jìn)行串行通信，還要解決一個(gè)問題：計(jì)算機(jī)與MODEM怎樣連接？——通過串行接口電路連接。

為了使不同的計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備都能正確連接，這個(gè)接口的：

機(jī)械特性、電氣特性、功能特性

都要遵循一定的規(guī)范，也就是要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，另外還有RS-422、RS-423、RS-449等標(biāo)準(zhǔn)。（七）RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-232C最初是為了使用公用電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)。

在發(fā)送端：通過調(diào)制解調(diào)器將表示為“1”、“0”的高低電平，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高低頻率的模擬信號(hào)，發(fā)送到公用電話網(wǎng)。在接受端：通過調(diào)制解調(diào)器，將公用電話網(wǎng)上的高低頻率的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的表示為“1”、“0”高低電平，發(fā)送到終端。

RS-232C提供了一個(gè)利用電話網(wǎng)通過MODEM把遠(yuǎn)距離設(shè)備連接在一起完成通信的技術(shù)規(guī)范。

計(jì)算機(jī)MODEMMODEM計(jì)算機(jī)或終端信道（傳輸線路）RS-232CRS-232C?隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，除了上述連接，也可用RS-232C使計(jì)算機(jī)與終端直接相連。計(jì)算機(jī)終端RS-232C

1.

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)

RS-232C提出了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTC）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行傳輸數(shù)據(jù)的接口規(guī)范，對(duì)接口的機(jī)械特性、電器特性、功能特性做了規(guī)定。

?機(jī)械特性：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用一個(gè)25針標(biāo)準(zhǔn)連接器（插頭座），或9針標(biāo)準(zhǔn)連接器（插頭座），并對(duì)連接器的尺寸,每個(gè)針的排列位置做了明確規(guī)定。圖9-1DB-25型連接器

?電氣特性：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用負(fù)邏輯

邏輯“1”信號(hào)，電平在–3V~-15V之間；邏輯“0”信號(hào)，電平在+3V~+15V之間；因此，使用RS-232C與微機(jī)接口時(shí)，需要將TTL電平（0~5V）與RS-232C電平（EIA電平）進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？捎矛F(xiàn)成的轉(zhuǎn)換芯片（如MC1488、MC1489等）轉(zhuǎn)換。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了RS-232C能連接的最大距離為15m。最大傳輸速率為20kbps。（八）、串行傳送的實(shí)現(xiàn)

串行傳送，數(shù)據(jù)是一位一位傳送的：

發(fā)送時(shí)：將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的輸出；

接收時(shí)：將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的，再進(jìn)行處理。

目前，大多采用串行接口芯片來完成上述的轉(zhuǎn)換工作。

通用異步接收器/發(fā)送器UART為了實(shí)現(xiàn)正常通信，UART是用外部時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)同步。串行接口有兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送器時(shí)鐘和接收器時(shí)鐘。這兩個(gè)時(shí)鐘頻率是數(shù)據(jù)位傳輸率的整數(shù)倍--波特率因子（波特率系數(shù)）外部時(shí)鐘的周期TC和數(shù)據(jù)位傳送的周期Td之間的關(guān)系如下：

TC=Td/K

其中，K=16，32或64。例：某串口的發(fā)送時(shí)鐘頻率為19200Hz，波特率因子為16，則發(fā)送器波特率為：19200/16=1200（波特）發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘9.2可編程串行接口芯片8251A1.8251A是通用的同步/異步接收發(fā)送器,其主要功能有：可用于同步和異步傳送。對(duì)于同步傳送，可選擇每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位數(shù)（5—8位/字符）。對(duì)于異步傳送，可選擇每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位數(shù)（5—8位/字符），時(shí)鐘頻率為波特率的1、16或64倍，可產(chǎn)生1、1.5或2個(gè)位的停止位。波特率：對(duì)同步傳送0~64K

對(duì)異步傳送0~19.2K全雙工，雙緩沖的發(fā)送器和接收器。具有三種錯(cuò)誤檢測(cè)功能：奇/偶，溢出和幀錯(cuò)誤。2．8251的結(jié)構(gòu)框圖和引腳9.3.1USB連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)9.3通用串行總線接口USB9.3.2USB接口接頭及引腳說明其插針的針腳功能定義如下：4針引腳的USB接頭外形VBUSGNDD+D-9.3.3USB總線組成結(jié)構(gòu)

（1）客戶驅(qū)動(dòng)軟件層（2）USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)樱?）主控制器驅(qū)動(dòng)程序（4）控制器（5）USB設(shè)備USB主控制系統(tǒng)功能由硬件層和軟件層所組，如圖所示。