串并行通信及接口技术课件.ppt

qiu,1,第八章 串并行通信及接口技术,一、串行通信的基本概念二、可编程串行接口8251A三、并行接口的基本概念四、可编程并行接口8255A,qiu,2,数据的各位同时由源到达目的地 快多根数据线 距离短、远程费用高,并行通信 将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。,D0D1D2D3D4D5D6D7,目的,D0D1D2D3D4D5D6D7,源,并行通信适于短距离、高速通信,qiu,3,数据的各位依次由源到达目的地 慢数据线少 远程,费用低,串行通信 将数据的各位按时间顺序依次在一根传输线上传输。,0 1 1 0 1 0 1 0,RD,目的,TD,源,串行通信适于长距离、中低速通信,qiu,4,一、串行通信的基本概念,串行通信：每个时间单位仅传送一位信息；每个字符(字节)的各位依次传送。优点：传输线少，成本低，传输距离远缺点：传送速度比并行慢，并行需时间T，则串行为NT（位）。,qiu,5,1.串行数据传送方向 串行通信中，数据通常是在二个站（点对点）之间进行传送，将数据从一个地方传送到另一个地方，须使 用通信线路，数据在通信线路的两端，即两工作 站之间传送，按其通信方式，可将数据传输线路分成3种：单工(Single Duplex）半双工(Half Duplex)全双工(Full Duplex),qiu,6,1）单工(Single Duplex）,发送,接收,特点：信息只能沿一个方向传送，使用一根传输线。应用：电视发射台,单工方式示意图,qiu,7,2）半双工（Half Duplex）使用同一根传输线，既可发送数据又可接收数据，但 不能同时。,发送器,接收器,发送器,接收器,A站,B站,半双工方式示意图,qiu,8,特点：通信双方各有一个收/发切换电子开关，双方均可进 行数据的接收和发送。只需要一根传输线。因有切换，会产生时间延迟应用：单向传送设备，发送器接收器,qiu,9,3.全双工(Full Duplex）,发送,接收,调制电话线,特点：每一端都有发送器和接收器 有二条传送线 应用：交互式应用，远程监测控制,qiu,10,计算机的通信是要求传送数字信号，而在进行远程数据通信时，线路往往是借用现有的公用电话网，但是，电话网是为音频模拟信号的设计的。一般为3003400Hz，不适合于数据信号。,计算机,MODEM,MODEM,模拟信号,数字信号,数字信号,CRT,1 0 1 0,10 10 10 10,2.信号的调制和解调,qiu,11,因此需要对二进制信号进行调制，以适合在电话网上传输相应的音频信号，在接收时，需要进行解调，还原成数字信号。,1）发送采用调制器（Modulator）把数字信号转换为模 拟信号，送到通信链路上。2）接收器再通过解调器（Demodulator）把模拟信号转 换为数字信号。,qiu,12,三种调制方式,根据载波 Asin(t+)的三个参数：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：幅移键控法 Amplitude-Shift Keying(ASK)频移键控法 Frequency-Shift Keying(FSK)相移键控法 Phase-Shift Keying(PSK)ASK(又称为调幅)用载波信号的不同幅度代表1和0FSK(又称为调频)用载波信号的不同频率代表1和0PSK(又称为调相)用载波信号的相位变化代表1和0(有变化为1),qiu,13,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,调幅,调频,调相,数字信号,数字信息,三种调制方式的调制波形图,qiu,14,输出,（FSK),S1,S2,1,频率1,频率2,PATA,0 1 0 1 0,频移键控调制原理图,qiu,15,3.同步通信和异步通信,1）异步通信字符格式：即字符的编码形式和规定，如ASCLL 码规定，每个串行字符由以下4个部分 组成。一个起始位 58个数据位 1个奇偶校验位 12个终止位,qiu,16,1,0,0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 1 1 0 0/1,MARK,起始位,7 位有效信息位,奇/偶校验,停止位,串行异步通信字符格式如下：,qiu,17,a.以一个字符为单位传送。b.传送时对每个被传送字符有一定的格式要求(如:起始位,终止位等)。c.被传送字符的每一位位宽恒定，各位之间无间隔。而各字符之间的时间间隔可任意改变。（间隔时间用空闲位填充）。d.是一种不规则的随机传送，常常用于不规则产生数据的设备中或者不规则的远程通信中。e.联络信号附加于被传送的字符中。,异步通信特点：,qiu,18,波特率（Baud rate）：是衡量数据传输通道频宽的指标，每秒传送的离散信号的数目。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 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）,qiu,19,注意：因每个ASCLL码字符只占7位，其余3位为辅助位。所以实际信息传速率是低于传输波特率的。为了提 高数据传送速率，就要考虑去掉被传送字符中的辅 助位，于是有了同步传送方式。,“异步”主要体现在通信过程中字符与字符之间没有严格的定时要求，通信双方是 通过收/发双方事先约定的收/发波特率和字符格式、且在收/发时钟信号作用下，实现被传送字符的位同步的。,qiu,20,2)同步通信 特点：以数据流为单位进行传送，每个数据流（即每帧）中有成百上千个字符。以同步字符作为传送的开始，同步字符可由用户确定。每位占用时间相等。数据流之间不允许有空隙，当线路空闲或无数据 可发时，发送同步字符。收/发时钟频率=收/发波特率。,qiu,21,具体格式如下：,“同步“通信过程中，要求字符与字符之间以及字符内部的位与位之间都必须同步。为达到这一目的，要求收、发双方必须使用同一时钟对被传输信息定位。,qiu,22,所有串行通信都需要一个时钟信号来作为数据的定时参考。发送器和接收器用时钟来决定何时发送和读取每一位数据。根据采用统一时钟还是本地局部时钟，分为同步传输和异步传输两种。同步传输用一个时钟确定一个数据位异步传输用多个时钟确定一个数据位,4.发送时钟和接收时钟,qiu,23,同步传输的时钟定时方法,数据（61H）,位0,1,1,0,0,0,0,1,先发送高位(MSB),发送方在时钟信号的下降沿发送字节,接收方在时钟信号的上升沿接收字节,时钟,qiu,24,异步传输的时钟定时方法,数据（61H）,1,0,0,0,1,1,停止位,异步传输先发送低位(LSB),发送方利用内部时钟来决定什么时候发送每个位,接收方检测开始信号的下降沿，然后利用它的内部时钟从每一位的中间接收该位,位0,0,起始位,LSB,MSB,qiu,25,6.波特率因子：如果发送或接收时钟按一定的分频系数之后再用来作为移位寄存器的移位脉冲，则此时串行线上的数据传输率数值上不等于时钟频率，且两者之间存在着一定的比例系数关系。这个比例系数为波特率因子。发送或接收时钟频率=波特率因子*波特率,qiu,26,7、信息的检错 串行数据在传输过程中，由于干扰而引起误 码是难免的，这直接影响通信系统的可靠性，对通信中的检/纠错能力是衡量一个通信系统的重要内容。检错：如何发现传输中的错误，称为检错。纠错：如何消除错误，称为纠错 串行通信的校验方法 奇偶校验 循环余码校验CRC,qiu,27,奇偶校验：以字符为单位进行校验发送方使发送的每个字节中1的个数为奇数或偶数；接收方检查收到的每个字节中1的个数是否符合双方的事先约定。奇偶校验可以检查出一个字节中发生的单个错误。奇偶校验不能自动纠错，发现错误后需“重传”。,qiu,28,循环冗余校验CRC(循环冗余码/多项式编码)以数据块(帧,Frame)为单位进行校验编码思想：将数据块构成的位串看成是系数为0或1的多项式如110001，可表示成多项式 x5+x4+1数据块构成的多项式除以另一个多项式G(x)，得到的余数多项式R(x)就称为CRC码(或称为校验和)，而G(x)则称为生成多项式。CRC校验的检错方式：收发双方约定一个生成多项式G(x)(其最高阶和最低阶系数必须为1)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除；接收方收到后，用G(x)去除它，若有余数，则传输有错。,qiu,29,5.串行接口标准 数据通信的整个过程可视作是通过一系列串行接口 和传输信道将信息传送到目的地的过程。为实现这一过程的规范化及准确无误，有了许多接 口的“标准”。,接口标准主要有：RS232、RS422、RS485、X21、X25它们都是根据不同的推荐标准而设计出来的接口标准。,qiu,30,各接口标准均包含4个方面内容：接口的机械性能 接口间的电气特性 接口各信号的功能 具体应用时接口信号的连接,qiu,31,1）EIA-RS-232接口标准,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 适合的数传率：020Kbps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（例如计算机）与数据通信设备DCE（例如调制解调器）的标准接口可实现远距离通信，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,qiu,32,2）电气特性 RS-232对电气特性，逻辑电平和各种信号线的功能都作了规定。逻辑“1”=-5V-15V“0”=+5V+15V 与TTL逻辑电平不一样，可用TTL/EIA电平转换器进行，如MC1488，MC1489IC。,MC1488,MC1489,RS-232,TTL,EIA电平,+15V,TTL,+15V,qiu,33,232C接口采用EIA电平高电平为3V15V低电平为3V15V实际常用12V或15V,标准TTL电平高电平：2.4V5V低电平：0V0.4V,相互转换,采用EIA电平比TTL电平具有更强的抗干扰性能。,qiu,34,3）机械特性（1）连接器（Connector）常用二种：DB-25型，25脚，只用9个信号（2个数据线，6个控制线，1个地址），如下图所示。DB-9型 9针，9针全用，如下图所示。,qiu,35,1,2,3,4,DB-25型连接器,5,6,7,8,9,11,13,25,22,20,18,14,发送电流（-）,发送电流（+）,DCD,GND,DSR,CTS,RTS,RXD,TXD,（-）接收电流,（+）接收电流,1,2,3,4,5,6,7,8,9,DSR,RTS,CTS,RI,DCD,RXD,TXD,DTR,GND,DB-9型连接器,qiu,36,（2）电缆长度 RS-232直接连接的最大物理距离15M，通信速率20Kbps。（3）RS-232C接口信号的定义。25线：数据线4条（2，3，14，16）控制线11条（4，5，6，8，12，13，19，20，22，23）定时信号线3条（15，17，24）地线2条（1，7）备用5条（9，10，11，18，25）未定义,qiu,37,TxD：发送数据 串行数据的发送端RxD：接收数据 串行数据的接收端RTS：请求发送 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：清除发送（允许发送）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,qiu,38,DTR：数据终端准备好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：数据装置准备好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,qiu,39,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）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：振铃指示当调制解调器接收到对方的拨号信号期间，该引脚信号作为电话铃响的指示、保持有效,qiu,40,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,qiu,41,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,4)RS-232C的连接,qiu,42,近距离连接（15m）只用3条线（发送线TXD，接收线RXD，信号地线）,TXD,RXD,TXD,RXD,A机,B机,7,7,2,2,3,3,为了交换信息，TxD和RxD应当交叉连接程序中不必使RTS和DTR有效也不应检测CTS和DSR是否有效,qiu,43,“伪”使用联络信号的3线相连方式,RTS和CTS各自互接，DTR和DSR各自互接表明请求传送总是允许、数据装置总准备好,qiu,44,使用联络信号的多线相连方式,通信比较可靠所用连线较多，不如前者经济,qiu,45,远距离连接（15m）1）需用MODEM和专用电话线2）需用29条信号线（在接口与MODEM之间）,计算机,接口,调制解调器,DCD,RXD,TXD,RTS,CTS,DTR,DSR,调制解调器,DCD,RXD,TXD,RTS,CTS,DTR,DSR,终端,专用电话线,2,2,采用MODEM时RS-232信号线的使用,qiu,46,二、8251A的引脚、编程结构,8251A是通用同步异步接收/发送器USARTUniversal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter,1.8251A的基本性能1）可工作在同步方式或异步方式；同步方式下，波特率为 064K，异步方式下，波特率为019.2K。2）同步方式下，每个字符可为58位，内部能自动检测同步字符3）异步方式下，每个字符可为58位，用1位作为奇/偶校验。能自动为每个数据增加1个启动位，并能编程为每个数据增 加1、1.5和2个停止位。4）完全双工，有双缓冲器和接收器。5）误差检测具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。,qiu,47,控制寄存器,同步字符寄存器,状态寄存器,接收时钟,数据总线,串行输入,地址译码器,串行输出,控制总线,RXRDY,TXRDY,2、8251的编程结构,接收移位寄存器,发送移位寄存器,数据输入寄存器,数据输出寄存器,模式寄存器,同步字符寄存器,发送时钟,CS,qiu,48,1）数据输入缓冲寄存器和数据输出缓冲寄存器：使用同一个端口地址，由CPU利用输入/输出指令读写2）接收移位寄存器：将RXD端的串行数据接收后进行移位，变为8位并行数据，存入数据输入缓冲寄存器3）发送移位寄存器：将写入数据输出缓冲寄存器的数据移位，将并行数据逐位 从TXD端，变为串行传输。4）控制寄存器：用来控制8251A的工作过程。,qiu,49,3.8251A的功能结构 8251A可以由5部分组成：接收器、发送器、调制/解调控制电路、读/写控制电路、数据总线缓冲器,5）状态寄存器：存放8251A的工作过程中的状态信息。6）模式寄存器；决定8251A的工作模式（同步或异步）7）2个同步字符寄存器：存放同步方式中所用的同步字符。,qiu,50,数据总线缓冲器,读/写控制逻辑,调制/解调控制,发送缓冲器发送控制,接收缓冲器接收控制,TXD,TXRDY,TXE,TXC,RXD,RXRDY,SYNDET,RXC,DTR,DSR,RTS,CTS,RESET,CLK,C/D,RD,WR,CS,8251A的内部工作原理图,qiu,51,8251A与CPU 的连接：,C/D,A1,CS,串行接口8251A,外设,CPU,数 据 线,RD,RD,WR,TXRDY,片选译码,计数器/定时器,DTR,DSR,D0D7,D0D7,CLK,WR,TXE,RXRDY,SYNDET,CTS,RTS,TXD,RXD,TXC,RXC,qiu,52,并行接口的典型硬件结构包括：1、两个或两个以上具有锁存或缓冲的数据端口2、与CPU进行数据交换所必须的控制和状态信号3、与外设进行数据交换所必须的控制和状态信号4、端口译码电路5、控制电路,qiu,53,CPU,控制寄存器,输入缓冲寄存器,输出缓冲寄存器,状态寄存器,数据总线,地址,译码,读出信号,写入信号,复位,准备好,中断请求,地址,片选,A,0,A,1,输,入,设,备,数据输入,数据输入准备好,数据输入回答,输,出,设,备,数据输出,数据输出准备好,数据输出回答,并行接口连接外设示意图,qiu,54,输入过程,外设将数据=接口 状态线“数据输入准备好”=1；接口把接收到数据输入缓冲寄存器；数据输入回答=1，作为对外设响应信号；外设撤消“数据”和“数据输入准备好”信号；CPU从接口读取数据接口收到数据，设置“输入准备好”状态位；供给CPU查询 或问CPU发中断请求；CPU从接口读取数据，接口自动清除状态寄存器输入准备好状态位（准备好）；数据总线处于高阻状态。开始下一个输入过程,qiu,55,输出过程,输出：每当外设从接口取走一个数据以后，CPU往接口中输出数据接口中状态寄存器发中断请求；（“输出准备好”=1，表示CPU可以往接口中输出数据）CPU向接口输出数据，数据到接口缓冲寄存器；接口自动清除“输出准备”好。将数据送往外设：接口向外设发送一个“驱动信号”，启动外设接收数据。外设收到数据向接口发一个“数据输出回答”信号；接口收到的信号将状态寄存器中“输出准备好”=1；CPU输出下一个数据。,qiu,56,四、可编程并行接口8255A一、8255A的引脚、编程结构二、8255A的控制字三、8255A三种工作方式,qiu,57,一、8255A引脚、编程结构,8255A,PA3PA2PA1PA0RDCSGNDA1A0PC7PC6PC5PC4PC3PC2PC1PC0PB0PB1PB2,40个引脚，双列直插式,（1）外部引脚与系统总线的连接信号面向数据总线的有：D0D7：双向数据线，用于CPU向8255A发送命令、数据和8255A向CPU回送状态、数据和8255A向CPU回送状态、数据。面向地址总线的有：,qiu,58,RD：读信号，低电平有效。WR：写信号，低电平有效。RESET：复位信号，高电平有效。它清除控制寄存器并将8255A的A、B、C三个端口均置为输入方式；输入寄存器和状态寄存器 被复位，并且屏蔽中断请求；24条面向外设信号线呈现高阻 悬浮状态。A1 A0:0 0 A 口0 1 B 口1 0 C 口1 1 控制口与外部设备的连接信号 PA0PA7：端口A的输入/输出线。PB0PB7：端口B的输入/输出线。PC0PC7：端口C的输入/输出线。,qiu,59,（2）内部结构,A组控制,数据总线缓冲器,读/写控制逻辑,B组控制,A组A口（8位）,A组C口高位（4位）,B组C口低位（4位）,B组B口（8位）,D0D7,A1,A0,RESET,PA0PA7,PC4PC7,PC0PC3,PB0PB7,8255A内部框图,qiu,60,1.数据端口 A、B、C,每个端口8位，通过编程设定其为输入口或输出口 可用来和外设传送信息,端口A（作为输入或输出时，数据均受到锁存）有 3 种工作方式(方式 0、方式 1、方式 2)对外 8 根引脚 PA7 PA0,端口B（作为输入端口时，不会对数据进行锁存，而作为输出端口时，数据会受到锁存。）有 2 种工作方式：方式 0、方式 1 对外 8 根引脚 PB7 PB0,qiu,61,端口C（同B 口）,对外引脚PC0 PC7,当端口 A 在方式 1 或方式 2、端口 B 在方式 1 时，端口 C 的某些位用于传送联络信号，以适应CPU与外设间的各种数据传送方式的要求，如查询传送的应答信号、中断传送的中断申请信号等；C口未被用作联络信号的其它位可工作在方式 0。,2.控制端口(A组和B组控制电路),8位端口，无对外引脚 控制端口的内容决定A口、B口、C口的工作状态(输入或输出)和工作方式（方式 0、1、2）,起控制作用。,qiu,62,由1个8位双向三态缓冲器构成 8255A内各端口通过数据缓冲器与系统总线相连。CPU与端口A、B、C间传送的数据，以及CPU写入控制端口D中的控制字均通过数据缓冲器传送。,3.数据总线缓冲器(引脚D0D7),4.读写控制电路(引脚CS、RD、WR),控制数据总线缓冲器的状态。数据总线缓冲器有3种状态：输入、输出、高阻态,qiu,63,A1 A0,选中端口,0,0,端口,A,0,1,端口,B,1,0,端口,C,1 1,控制端口,选择被操作的端口,5.片内译码电路(引脚A1、A0),qiu,64,qiu,65,qiu,66,B口,0 输出1 输入,0 方式01 方式1,1,特征位，D7=1表示是方式控制字,PC3PC0,0 输出1 输入,B口工作方式,PC7PC4,0 输出1 输入,A口,0 输出1 输入,A口工作方式,00 方式001 方式11x 方式2,1.方式控制字,qiu,67,例1：8255A与系统的连接，片选译码地址为F0F3h 1)确定各端口地址;2)编程设置8255A:A口方式 0 输入，PC7PC4输出 B口方式 0 输出，PC3PC0输入,3)确定方式控制字,MOV AL,91H;方式控制字OUT 0F3H,AL,qiu,68,2.C口按位置位/复位控制字 作用是：使C口中的某一位为1（置位）或0（复位）；或在A口、B口采用中断方式时，通过向C口的指定位置位，允许8255A的中断信号发出。,qiu,69,0 复位1 置位,0,设置内容,特征位，D7=0表示是C口按位置位/复位控制字,无意义,选择设置位,C口按位置位/复位控制字各位含义:,qiu,70,例2：若要把C口的PC2引脚置成高电平输出，则命令字应 该为00000101B或05H。将该命令的代码写入8255A的命令寄存器，就会使得从PC口的PC2引脚输出高电平，其程序段为：MOV DX，303H；8255A命令口地址 MOV AL，05H；使PC2=1的命令字 OUT DX，AL；送到命令口 如果要使引脚PC2输出低电位，则程序段为：MOV DX，303H；8255A命令口地址 MOV AL，04H；使PC2=0的命令字 OUT DX，AL；送到命令口,qiu,71,三、8255A的工作方式,1.方式0 2.方式13.方式2,qiu,72,方式0（基本输入输出方式）工作在方式 0 的端口，为单向传送端口，由方式控制字决定是输入还是输出。A、B、C口均可工作在方式0。,工作在方式 0 的端口：作为输入口相当于普通的三态门 作为输出口相当于普通的锁存器基本I/O方式是指无条件传送和查询方式传送。,qiu,73,三态缓冲器,地址译码器,数据,来自外设,8,8,IO/,M,RD,数据总线,地址总线,方式 0 输入方式0输入（IN AL，PORT）框图,&,qiu,74,t,RD,数据有效,t,DF,t,RA,t,HR,t,RR,t,IR,t,AR,RD,输入数据,方式0 输入（IN AL，PORT）时序,CS,A1,A0,D7D0,qiu,75,方式0输出方式0输出（OUT PORT，AL）框图：,锁存器,到外设,8,8,IO/,M,WR,地址译码器,数据总线,地址总线,CE,&,qiu,76,方式0输出（OUT PORT，AL）时序,