微机原理及接口技术8

1．RS-232C的接口信号 标准的D型25针连接器各引脚的排列如图8.18 所示。
图8.18 RS-232C引脚图
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发送数据TXD：串行数据通过TXD终端由DTE向DCE发送。 接收数据RxD：通过RXD终端接收DCE发送的数据。 请求发送RTS ：用来表示DTE准备向DCE发送数据。 允许发送CTS：用来表示 DCE 准备好接收 DTE 发来的数据。 RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式 和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配臵双向通道，故不需要 RTS/CTS联络信号，使其变为高电平。 数据终端就绪DTR：数据终端设备准备就绪。 数据准备就绪DSR ：数据装臵准备好信号。 DTR和DSR这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。目前 有些RS-232C接口甚至省去了用以指示设备是否准备好的这类信号，认 为设备是始终都准备好的。可见这两个设备状态信号有效，只表示设备 本身可用，并不表示通信链路可以开始进行通信了。 信号地SG：所有的信号都要通过信号地线构成回路。 载波检测DCD：用来表示DCE已经接通通信链路。 振铃指示RI：当MODEM接收到振铃呼叫信号时，使该信号有效。 发送器时钟TXC：控制数据终端发送串行数据的时钟信号。 接收器时钟RXC：控制数据终端接收串行数据的时钟信号。 数据信号检测和数据信号速率选择：用于指示信号质量和选择传输速率。
8.2.1 RS—232C串行接口标准
RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准， 它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝 尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家 共同制定的用于串行通讯的标准。其中 EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子 工业协会，RS(Recommended Standard)代表推荐 标准，232是识别代号，C代表RS-232的最新一次 修改(1969)，在这之前有RS-232B、RS-232A。它 规定了连接电缆的机械特性、电气特性、信号功 能及传送过程。目前在PC机上的COM1、COM2 接口，就是RS-232C接口。
数据位2 1/0
图8.6 16倍波特率时钟的采样过程
（3）异步传输中的差错检测 由于线路或程序出错等原因，使得在通信过程中可能产生 传送错误。异步通信中接收方通常可检测到如下一些错误： ① 奇偶校验错（Parity Error） ② 超越错（Overrun Error） ③ 帧格式错（Frame Error） 采用异步通信方式的优点是控制简单，不需要收发双 方的时钟频率保持完全一致，可以有偏差，纠错方便。缺 点是一旦传输出错，则需要重新发送，由于包含起始位和 停止位，传输效率低，信息冗余大。
（2）波特率 串行通信中数据传输速率用波特率（Baud Rate）来表征。所谓波特率，是指单位时间内传 送二进制数据的位数，用bps（位/秒，bit/s）来 表示。波特率是衡量串行数据传输速度快慢的重 要指标和参数，波特率越高，数据传输速率越快。
16倍波特率时钟的采样过程如图8.6所示。
数据位1 起始位采样 1/0 采样 8 16 16
发送器 A站
接收器
B站பைடு நூலகம்
图8.8 单工方式
2．半双工方式（Half Duplex）
接收器 发送器 A站
发送器 接收器 B站
图8.9 半双工方式
3．3、全双工方式（Full Duplex）
接收器 发送器 A站
发送器 接收器 B站
图8.10 全双工方式
8.1.4 信号的调制和解调
串行通信中传输的数据都是以“0”“1”序列组成的数字信号。它 包含了从低频到高频范围很宽的谐波信号，因此在传输线上传输时 要求线路的频带也很宽，否则会产生严重的信号失真。在长距离通 信时，为了降低成本，常常采用普通电话线路进行传输，但普通电 话线路的频带宽度有限，一般只有300~3000Hz，其频带特性如图 8.11所示。
接收时钟
串行数据输入 串行数据输出
发送时钟
地址 译码
CS
输出缓冲寄存器
系统时钟
图8.16 典型的UART接口的基本结构
UART接口主要包括：
（1）输出缓冲寄存器 （2）输出移位寄存器 （3）输入移位寄存器 （4）输入缓冲寄存器 （5）控制寄存器 （6）状态寄存器
UART的工作流程可以分为接收过程和发送过程两 部分。 发送过程：CPU发来的有效数据写入接口的输 出缓冲寄存器，输出缓冲寄存器将数据送到输出 移位寄存器，同时将状态寄存器中的“发送准备 好”位臵1，并向CPU发出中断申请（用中断方式 时），表示接口可以接收CPU写入下一个有效数 据。 接收过程：接收控制电路不断检测串行数据线 上的电平，一旦出现持续一个位周期的低电平 （指异步方式），则开始采样有效数据位，并将 采集到的数据送入输入移位寄存器。采样重复进 行，直到采样到停止位。接收控制逻辑对接收到 的数据进行奇偶校验，若不正确，则将状态寄存 器中奇偶校验错误状态位臵1；若正确，则将有效 数据位并行送入输入缓冲寄存器。
串行接口与CPU及外设的连接如图8.15所示。
CPU
串 行 接 口
外 部 设 备
图8.15 CPU通过串行接口与外部设备的连接
1）通用异步收发器UART 典型的UART接口的基本结构如图8.16所示。
数据总线 缓冲器 状态寄存器 控制寄存器 输入缓冲寄存器
中断请求
控制 信号 发送与 接收控 制逻辑 输入移位寄存器 输出移位寄存器
(b) 双同步字符帧格式
数据1 外同步信号 数据2 „„ 数据n CRC1 CRC2
(c) 外同步字符帧格式
图8.7 同步通信的字符帧格式
8.1.3 串行通信的数据传送方式
在串行通信中，数据在通信线路上进行传输，根据数据流的 传送方向可分为单工方式、半双工方式和全双工方式三种。 1．单工方式（Simplex）
控制 计 算 机 1 串 行 接 口 发 收 M O D E M 电话线 M O D E M
控制 收 发 串 行 接 口 计 算 机 2
数字信号
模拟信号
数字信号
图8.12 远程通信示意图
8.1.5 串行通信的校验方法
校验是串行通信中必不可少的重要环节， 也是衡量通信系统对差错控制能力的重要 指标。常用的校验方法有：奇偶校验、循 环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check) 和方阵码校验等。 奇偶校验是最简单最常用的校验方法。 它的基本原理是在发送数据时，在其最末 位后加一位奇偶校验位，如图8.13所示。
2．同步串行通信SYNC(Synchronous Data Communication) 图8.7（a）为单同步字符帧格式，图8.7（b） 为双同步字符帧格式，图8.7（c）为外同步字符 帧格式。
同步字符 数据1 数据2 „„ 数据n CRC1 CRC2
(a) 单同步字符帧格式
同步字符1 同步字符2 数据1 „„ 数据n CRC1 CRC2
例题： 试画出用异步串行通信协议传送字符“B”的波形图，要求加 偶校验位和一位停止位。 解：字符“B”的ASCII的码为42H，其传送波形图如图8.5所 示。
一帧字符“D”的数据 低位 高位
0
起 始 位
0
1
0
0
0
0
1
0
偶 校 验 位
1
停 止 位
数据位
图8.5 异步协议传输ASCII字符“B”的格式
8.1 串行通信的概念 8.2 串行通信物理接口标准 8.3 可编程异步通信接口芯片8251A
8.1 串行通信的概念
8.1.1 串行通信及特点 计算机与外设或其他计算机之间的信息交换称为数据 通信。数据通信方式有两种：并行通信和串行通信。 并行通信方式中，需要传输的各位数据同时传送，有 多少位数据，就需要多少根数据传输线。串行通信方式中， 把数据的字节分解为单个的二进制位在一条信号线上一位 一位顺序传送。 由于并行通信时数据的各个位同时传送，可以以字或 字节为单位进行并行传输。因此并行通信传输速度快，但 传输线数量多、成本高，易引起干扰，可靠性差，故适合 传输效率高、传输距离较短的场合。串行通信传输数据一 位接一位地在一条传输线上顺序传送，能够节省传输线， 比较经济，但传送速度较慢，效率低，适合数据位数多且 远距离数据传送的场合。图8.3为这两种通信方式的示意 图。
8.2 串行通信物理接口标准
串行通信的物理接口标准包括连接电缆的机械特性、 电气特性、协议功能及传送过程的定义，它属于ISO/OSI 体系结构中的最底层——物理层，为链路层提供透明的位 流传输实体，并规定了传输数据位的硬件规则。串行通信 接口电路经过使用和发展，目前常用的有RS—232C、 RS—422A、RS—485等标准，这里介绍几种接口标准。
放 大 倍 数
0 300
3000
图8.11 电话线路的频带特性
在发送端利用调制器（Modulator）把要传送的数字 信号调制转换为能在电话线路上传输的音频模拟信号，这 个过程称为调制。在接收端利用解调器（Demodulator） 将接收到的音频模拟信号转换为数字信号，这个过程称为 解调。如图8.12所示，图中MODEM为调制解调器。
2）通用同步收发器USRT 典型的串行USRT的基本结构如图8.17所 示。
CRC发生器 发送FIFO 输出移位 寄存器 串行数据输出 发送器时钟 CRC校验器 接收FIFO 其他总线信号 输入移位 寄存器 接收时钟 串行数据输入 时钟 分离器
数据总线
控制
状态
同步检 测器
同步 模式
IRQ
同步
图8.17 典型的串行USRT的基本结构
2、RS—232C的连接和使用 RS—232C的传输距离短，一般小于15米，当进行15米 以上远距离通信时，需要使用调制解调器MODEM。 （1）远距离通信 连接方式如图8.19所示。
在发送时由CPU送来 发送数据 寄存器
⊕
停止位 发送器移位寄存器 发送命令 时钟 奇偶校验位 发送数据
图8.13 在发送时产生奇偶校验位的电路
接收数据 时钟 接收器移位寄存器
停止位
⊕
接收数据 寄存器 奇偶校验的结果 到CPU
图8.14 在接收时的奇偶校验电路
8.1.6 串行通信的实现方法
串行传送时数据是一位一位依次顺序传 送的，而在计算机中数据是并行的，所以 当数据由计算机送至数据终端时，要先把 并行的数据转换为串行的数据再传送，而 在计算机接收终端送来的数据时，要先把 串行的数据转换为并行的数据才能处理加 工。 常用的串行通信实现方法是使用硬件接 口电路。
发送 接收
计算机1 计算机2或 外部设备
计算机1
计算机2或 外部设备
（a） 并行通信
（b） 串行通信
图8.3 两种通信方式的示意图。
8.1.2 两种串行通信方式
按照串行数据的时钟控制方式，串行通信可分 为异步串行通信和同步串行通信两种。 1．异步串行通信ASYNC(Asynchronous Data Communication) 异步串行通信又称为起止异步方式通信，是计 算机中常用的数据信息传输方式。发送端在一个 字符正式发送前先发送一个起始位，然后发送有 效字符，在字符发送结束时再发送一个停止位， 起始位至停止位构成一帧。异步串行通信的帧格 式如图8.4所示。
图8.4 异步通信的字符帧格式
（1）异步串行通信的数据格式 异步串行通信传输的每个字符由一个起始位 （Start Bit）作为数据开始传送的标志，起始位采 用低电平。紧跟在起始位后的是5~8位的被传送 字符的有效数据位，传送时按照低位在前高位在 后的顺序依次传送，数据位数的选择可由硬件或 软件来设定。数据位传送完后可以选择一位奇偶 校验位，用来校验数据的传输是否正确，奇偶校 验位可以采用奇校验或偶校验，也可以不设臵校 验位。最后必须有停止位，标志着传送一个字符 的结束，停止位的长度为1位、1.5位或2位，停止 位采用高电平。
第8章
串行接口技术
本章教学目的与要求
• • • • • • 掌握串行通信的基本概念 了解串行通信的通信方式 掌握串行通信的数据格式和差错检测 了解信号的调制和解调 了解串行通信RS-232、RS-422A、RS-485接口标准 掌握8215A的主要功能、编程结构、引脚信号和控制 字格式及用法 • 能利用串行通信接口进行相关的数据传输应用