第09章-串行通信接口要点课件.ppt

1,第9章 串行通信接口,主要内容：1、串行传送的基本概念 2、串行通信的数据格式 3、串行通信接口标准 4、串行通信接口的任务及组成 5、可编程串行接口芯片8251A 6、采用RS-232标准的全双工异步串行通信接口电路设计 7、采用RS-485标准的异步串行通信接口电路设计 8、PC微机异步通信适配器的分析和使用重点内容：1、串行接口电路的标准及使用 2、UART的工作原理及应用,2,3,第9章 串行通信接口,9.1 串行通信的基本概念,通信方式,并行通信（B/s）,串行通信（b/s）,一、串行通信的特点,（1）用一根传输线一位一位地传送数据和联络信息；,（2）固定的数据格式（异步和同步数据格式）,（3）信号的逻辑定义和TTL不兼容，需进行逻辑关 系和逻辑电平的转换；,（4）双方按约定的通信传输的波特率通信；,4,第9章 串行通信接口,二、串行通信双方需解决的问题,（1）双方发送和接收数据的速率波特率（2）双方的数据格式帧格式（3）双方的数据开始与结束的确定帧同步（4）双方的数据的采样位同步（5）接收方的数据的正确性数据校验（6）接收方出错如何处理 通信协议：通信双方对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式及控制字符定义等问 题作出的统一规定，通信双方式必须共同遵 守的这些约定。,5,第9章 串行通信接口,三、串行数据传送方向,1、单工传送方式,2、半双传送方式,6,第9章 串行通信接口,3、全双传送方式,收接和发送开关是由软件控制的电子开关。电话线是全双工。,7,第9章 串行通信接口,四、信号的调制和解调,五、信息的检错与纠错,1、奇偶校验或方阵检错 只能查错无纠正错误能力，以反馈重发方式纠错。,2、循环冗余码CRC,能查错并有自动纠正错误能力。,8,第9章 串行通信接口,1 1 0 1 0 0 1,0 1 0 0 0 0 0,1 0 1 0 1 0 1,1 1 1 1 0 0 1,1 1 0 0 0 0 1,0,1,偶校验,0,1,1,方阵检错,0,0,0,0,1,0,0,1,检验字符,在接收时数据块读出产生一个检验字符，将这个字符与发送来的检验字符进行比较，不同表明有错重发。,9,第9章 串行通信接口,六、波特率与发送/接收时钟,1、波特率,单位时间内传送二进制数据的位数。,例：在异步串行通信中，传送一个字符，包括12位 其中有1个起始位，8位数据位，1个偶校验位，2个停止位，其传输速率是1200b/s，求：每秒 传送的字符的个数是多少个？,10,第9章 串行通信接口,2、发送/接收时钟,在发送数据时，发送器在发送时钟（下降沿）作用将发送移位寄存器的数据按位串行移位输出；在接收数据时，接收器在接收时钟（上升沿）作用下对来自通信线上串行数据，按位串行移入接收移位寄存器。,在实际数据传输过程中，收接器的采用比特率比发送器高得多的频率的时钟来提高定位采样的分辨率和抗干扰能力。原因在于发送器发送过一个数据后，接收器可通过更高的时钟频率对传送过来的数据进行多次采样，不仅有利于实现收发同步，而且有利于抗干扰和提高异步通信的可靠性。（16倍、64倍等）,11,第9章 串行通信接口,3、波特因子,是发送/接收1位数据所需要的时钟脉冲个数。,发/收时钟脉冲与波特率关系：,发/收时钟 Txc=Baud Factor,在异步通信中Factor=16，在同步通信Factor=1，在波特因子选定的情况下，可利用改变发/收时钟频率来控制串行通信的波特率。,4、传输距离与传输速率的关系,12,第9章 串行通信接口,七、串行通信的基本方式,1、异步串行通信方式,以字符为信息单位传送的。一帧字符用起始位和停止位来完成收发同步。同一个字符的位与位是同步的，字符与字符间是异步的。,数据流的分界、定时及同步的方法的不同,2、同步串行通信方式,以数据块为信息单位传送，每帧信息包括多个字符，靠同步字符来完成收发双方同步的。同步通信不仅字符内部的位传送时同步的，字符与字符之间传送也是同步的，双方必须使用同一时钟来控制数据块传输过程中的定时。,13,第9章 串行通信接口,9.2 串行通信的数据格式,一、起止式异步通信数据格式,一帧数据的格式,起始位0、数据位58、校验位1和停止位12。,双方通信是靠起止位和停止位来完成信息传输的同步。,14,第9章 串行通信接口,二、面向字符的同步通信数据格式,一次传送由若干个字符组成的数据块，并规定10个特殊字符组成的通信控制字作为数据块的开头、结束标志及整个传输过程的控制信息。,SYN：同步字符。,SOH：序始字符，表示标题的开始。,标题：源地址、目标地址和路由指示等。,STX：文始字符，表示数据块的开始。,ETB/ETX：组终/文终字符，表示传送数据块的组的结束及块的 结束。,块校验：它对SOH至ETB/ETX段信息的校验码。,15,第9章 串行通信接口,9.3 串行通信接口标准,在串行通信中，数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间的连接，要符合接口标准，目前使用最广泛的是串行标准 RS-232C、RS-423、RS-422A、RS-485。RS-232C美国电子工业协会（EIA）在1969年为了电话网络进行数据通信而公布的数据通信标。通过调制将逻辑“1”和“0”的高低电压转换成高、低不同的频率在电话网络中传送，在接收端用解调器把不同的频率变在一系列高低电压以表示“1”和“0”。,16,RS-232C串行通信标准定义说明：,当初制定此标准的目的是为了使不同厂家生产的设备能达到接插的“兼容性”。也就是说不同厂家所生产的设备，只要它们都有具有RS-232C标准接口，则不需要任何转换电路，就可以互相插接起来。这个标准仅保证硬件兼容而没有软件兼容。此外，用它进行数据传输时，由于线路的损耗和噪声干扰，传输距离一般不超过15m。通常两计算机的近距离通信可以通过RS-232C标准接口连接起来。,最初是为远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)与数据通信设备DCE（Data Communication Equipment)而制定的。,RS-232C标准包括机械指标和电气指标。,第9章 串行通信接口,17,1.电气特性,一、RS-232C串行通信标准,逻辑电平,逻辑1（MARK）=-3V-15V逻辑0（SPACE）=+315V,在TxD和RxD上,信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-15V,在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上,!RTS：为请求发送信号。DTEDCE!CTS：为允许发送信号。DCE DTE!DSR：为数据装置准备好信号。有效时，表明DCE可以使用!DTR：为数据终端准备好信号。有效时表明DTE可以使用。!DCD：载波检测输出。,第9章 串行通信接口,18,1.电气特性,TTL-EIA电平转换,为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。,集成转换器件TTLEIAMC1488、SN75150EIATTLMC1489、SN75154TTLEIA MAX232,232C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,第9章 串行通信接口,19,2.连接器的机械特性,DB-25,异步通信的9个电压信号（含信号地SG）：2，3，4，5，6，7，8，20，22 20mA电流环信号 9个：12，13，14，15，16，17，19,23，24 空引脚6个：9，10，11，18，21，25 保护地（PE）1个，作为设备接地端：1,第9章 串行通信接口,20,DB-9,AT机以后（不支持20mA电流环接口），使用DB-9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的9个信号。,DB-9型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。,第9章 串行通信接口,21,3.RS-232C的接口信号,4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线,常用的只有9根,第9章 串行通信接口,22,(1)联络控制信号线,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,第9章 串行通信接口,23,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）（请求响应）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（握手信号）,第9章 串行通信接口,24,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，例如表示设备的状态,第9章 串行通信接口,25,SG：信号地为所有的信号提供一个公共的参考电平DCD：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,第9章 串行通信接口,26,PG：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,第9章 串行通信接口,27,二、串行口互连,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,第9章 串行通信接口,28,9.1 串行接口系统概述,9.1.4 RS-232C串行通信标准,29,1.零Modem 的最简连线（3线制）,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。,第9章 串行通信接口,30,2.零Modem标准连接,第9章 串行通信接口,31,第9章 串行通信接口,3、信号线的连接和使用,（1）采用MODEM时RS-232C信号线的使用,二、RS-422/RS-423接口标准 1.特点：（1）采用平衡发送器和差动接收器，由于是双线传输，大大提高了抗共模干扰的能力。因为是两条传输线的电位差决定逻辑电平AA-BB+200mV，表示“0”（2）传输速率 10Mbps（15m时）90Kbps（1200m时）2.连接,三、RS-485接口标准1.特点：（1）兼容RS-422A，扩展RS-422A的功能；（2）允许在电路中有多个发送器和允许一个发送器驱动多个接收器，多达32个收/发器；（3）搞干扰能力强，传送距离远，传输速率高。数传率：100Kbps 1.2Km 不用MODEM 9.6Kbps 15Km 10Mbps 15m四、几种标准的比较 见书224，表9.3列出，RS-232，423，422，485几种标准的工作方式，直接传输最大距离，最大数传率等参数。,34,第9章 串行通信接口,9.4 串行通信接口的任务及组成,一、串行通信接口的基本任务,1、实现数据格式化,2、进行串行与并行转换,3、控制数据传输速率,4、进行错误检测,5、进行TTL与EIA电平转换,6、提供符合EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线,二、串行通信接口电路的组成,由可编程的串行接口芯片、波特率发生器、EIA与TTL电平转换器及地址译码电路组成。,35,9.2 可编程串行口控制器8250,9.2.1 8250的逻辑结构和引脚功能,PC微机异步通信适配器是微机与微机、微机与MODEM及微机与外设之间进行异步通信的接口。其核心是通用异步收发传输器UART 常见的UART主要有INS8250、PC16450和PC16550。此外，还有带更大缓冲的UART，称为PC16650和PC16750。,第9章 串行通信接口,36,37,16550引脚简介数据信号D7-D0：8根数据线和CPU数据总线连接。与地址有关的信号:CS0、CS1、!CS2、!ADS。当CS0=CS1=1、!CS2=0时，16550可被CPU访问，并由A2-A0选择要访问的寄存器。地址选通信号!ADS为低电平时，锁存三个片选信号以及A2-A0的输入状态。读写控制信号。16550有两对读写控制信号，两对信号功能完全相同，只不过是信号电平不同而已。RD、WR为高电平有效，!RD、!WR为低电平有效。,第9章 串行通信接口,38,中断控制和复位信号。16550具有中断控制和中断优先级处理能力，INTR引脚产生高电平有效地中断请求信号。PC中，使用OUT2来控制中断请求信号INTR的输出，而OUT1没有使用。MR是复位信号，通常与系统RESET信号连接，在系统复位时对16550复位。时钟信号。XIN和XOUT是16550的主时钟引脚，晶体振荡器可连接在它们两者之间，或者XIN与外部时钟源连接。BAUDOUT输出是由发送器的波特率发生器产生的时钟信号，它常与RCLK输入连接，产生与发送器相等的接收器时钟。,第9章 串行通信接口,39,与通信设备连接的信号。请求发送RTS、允许发送CTS、数据终端准备好DTR、数据装置准备好DSR、振铃RI、载波检测DCD、串行数据信号RxD和TxD。这些信号经过EIA驱动器驱动后与9脚D型连接器相连。数据就绪信号。RxRDY和 TxRDY是接收器和发送器的就绪信号，常用于DMA方式控制数据传送。,第9章 串行通信接口,40,16550内部有12个8位寄存器，但是只有8个端口地址，用8个地址表示12个寄存器，所采取的措施如下：发送保持寄存器THR 和 接收数据寄存器RBR 共用一个地址，以读写信号来加以区分。以读方式访问RBR，以写方式访问THR波特率除数寄存器的高字节TLH与中断允许寄存器IER使用相同的地址;波特率除数寄存器的低字节TLL与接收数据寄存器RBR和发送保持寄存器THR使用相同的地址，为了区分，借用线路控制寄存器LCR的最高位DLAB位来区分,第9章 串行通信接口,41,16550内部寄存器地址及其选择方法,第9章 串行通信接口,42,表 LCR格式,1，线路控制寄存器（LCR：Line Control Register）用于指定异步串行通信的数据格式,第9章 串行通信接口,43,2，线路状态寄存器（LSR：Line Status Register）：只读存储器，用来向CPU提供数据接收和发送时的状态。这些状态可以被CPU查询，也可以触发中断请求。LSR格式,第9章 串行通信接口,44,3，波特率除数寄存器（TLH与TLL）,波特率除数寄存器分为高字节寄存器TLH和低字节寄存器TLL该寄存器用于存放除数寄存器值，从而确定波特率。除数寄存器值不同，则波特率不同。（分频系数：在基准时钟频率的基础上所作的分频。）除数寄存器值=基准时钟频率（16波特率）注：16为分频系数，即每16个基准时钟频率才会发送一位二进制数据在写入除数之前，应将线路控制寄存器的最高位DLAB置1，只有这样才可以访问到除数寄存器由于除数是16位的，所以应分别向TLH和TLL两个端口分别写入除数值的高8位和低8位。16550芯片输入的基准时钟频率为1.8432MHz,第9章 串行通信接口,45,常用波特率常数,第9章 串行通信接口,46,4,中断允许寄存器（IER：Interrupt Enable Register）：16550有4级中断，按优先级从高到低依次为：接收出错中断、接收缓冲器满中断、发送保持寄存器空中断和MODEM输入状态改变中断。这些中断的允许或屏蔽由IER来控制,IER格式,只要IER寄存器的相应位写“1”就允许中断请求，写“0”就禁止中断请求,第9章 串行通信接口,47,5,中断标识寄存器（IIR：Interrupt identifier Register）：如果16550工作于中断方式，IIR指出有无待处理的中断发生及其类型，并封锁比此类优先级低的所有类型中断。IIR格式,为了具体识别究竟是哪种事件引起的中断（即中断源），UART内部设置了中断识别寄存器IIR。它保存着在请求中断的中断类型编码。IIR是只读寄存器，它的内容随中断源而改变。,第9章 串行通信接口,48,6,发送保持寄存器（THR：Transmit Holding Register）:该寄存器寄存CPU写入的一字节数据，在发送移位寄存器空闲时，自动转存到发送移位寄存器。按照编程制定的帧格式，发送移位寄存器为每一个数据添加起始位、校验位和停止位，转换成串行数据，在发送器时钟的控制下，经SOUT端一位一位地发送出去。7,接收缓冲寄存器（RBR：Receive Buffering Register）：在接收器时钟的控制下，接收移位寄存器从SIN端子接收的一帧数据，去掉起始位、校验位和停止位，转换成并行数据送接收缓冲寄存器等待cpu读取。,第9章 串行通信接口,49,16550芯片数据传输过程,由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串并）和“发送移位寄存器”（并串）。,第9章 串行通信接口,50,8,MODEM控制寄存器（MCR）。控制芯片的4个管脚的输出和芯片的环路检测。MCR的格式如表7所示。MCR格式,第9章 串行通信接口,51,9,MODEM状态寄存器（MSR）。反映UART与通信设备（如MODEM）之间联络信号的当前状态以及这些信号的变化情况。MSR格式,第9章 串行通信接口,52,10,FIFO控制寄存器（FCR）。16550有一个FIFO缓冲器，用于缓冲正在发出或接收的数据。FCR格式,第9章 串行通信接口,53,16550编程举例,1初始化串行通信口,一 查询方式异步串行通信编程,在查询方式下异步通信编程一般有三个部分：初始化、发送一个字符及接收一个字符。下面以串行口COM1(端口地址3F8H)为例，分别说明这三个部分的编程方法。,初始化串行通信口的内容是：确定数据传输帧格式（包括数据位长度、停止位长度及有无奇偶校验和校验的类型）、确定传输波特率以及确定INS8250操作方式。操作方式是指自发自收的循环反馈方式（用于诊断）还是通常的两点之间的通信方式，是程序查询方式传送还是中断方式传送。,第9章 串行通信接口,54,1初始化串行通信口,初始化的一般方法是按一定的步骤分别对线路控制寄存器LCR、波特率除数寄存器TLL、TLH 和 MODEM控制寄存器MCR等进行参数写入操作，其参数是在程序中由指令分散设定的；通过写除数寄存器TLL与TLH设置波特率通过写线路控制寄存器LCR设置通信数据格式通过写MODEM控制寄存器MCR设置MODEM控制字通过写中断允许寄存器IER设置中断允许控制字,第9章 串行通信接口,55,1初始化串行通信口,MOVDX,LCR；线路控制寄存器地址MOVAL,80HOUTDX,AL；使DLAB=1，以便下面写除数寄存器MOVDX,DLL；低位除数寄存器MOVAL,0CH；9600波特率的除数低8位OUTDX,ALMOVAL,00HINCDX；高位除数寄存器OUTDX,AL,第9章 串行通信接口,56,MOV AL,00011011b；偶校验、1位停止位；8位数据位MOV DX,LCR；线路控制寄存器地址OUTDX,ALMOVAL,03H；MOVDX,MCR；MODEM控制寄存器地址OUTDX,ALMOVAL,0；禁止中断MOVDX,IER；中断允许寄存器地址OUTDX,AL,57,1发送一个字符程序,一 查询方式异步串行通信编程,采用查询方式下的字符发送编程，有两种方法：第一种方法，近距离传送不考虑RS-232C的MODEM控制信号，CPU只要检测到INS8250发送保持寄存器为空(即线路状态寄存器D5=1)，即可向发送保持寄存器输出一个字符；第二种方法，考虑到发送持续的通用性，即可能用于远距离通信的要求，故应按照RS-232C配置MODEM时的控制规则去处理。在这种情况下，发送方首先要使RTS和DTR有效，即在MCR中使RTS=DTR=1。然后，检测MODEM状态寄存器MSR，只有当MSR中的CTS和DSR有效，CPU才可按第一种方法向INS8250输出一个字符。按第二种方法编写发送程序的流程图如图5-8所示。,第9章 串行通信接口,58,2发送一个字符程序,自行思考与实现：如果采取第一种方法发送一个字符，程序该如何编写,第9章 串行通信接口,59,3接收一个字符程序,采用查询方式接收一个字符的编程，也有两种方法第一种方法是不考虑RS-232C的MODEM控制信号，CPU只要检测到INS8250的接收数据寄存器准备好(即线路状态寄存器D0=1)，即可从接收数据寄存器读取一个字符；第二种方法，考虑到发送持续的通用性，即可能用于远距离通信的要求，故应按照RS-232C配置MODEM时的控制规则去处理。在这种情况下，接收方首先要在MCR中设置数据终端就绪信号（DTR=1），然后，检测MODEM状态寄存器MSR。只有当MSR中的数据设备就绪信号DSR=1有效，CPU才可按第一种方法从INS8250接收一个字符。按第二种方法编写接收程序的流程图见下页。,一 查询方式异步串行通信编程,第9章 串行通信接口,60,3接收一个字符程序,自行思考与实现：如果采取第一种方法发送一个字符，程序该如何编写,第9章 串行通信接口,61,REV_SHOW子程序流程图,第9章 串行通信接口,62,1通信中断初始化,二.中断方式异步串行通信编程,（1）修改中断向量，使新的中断向量指向自行编制的通信中断程序。（2）确定16550的操作方式，设置中断允许寄存器相应位的允许或禁止（选择中断源类型），并允许中断操作（置MCR的OUT2有效（该步骤原因详见教材P274）。（3）确定起止式通信协议，设置通信波特率及数据桢传输格式。（4）开放通信中断，对8259A中断控制器的屏蔽寄存器编程（OCW1），开放串口中断。,第9章 串行通信接口,2通信中断主程序,该程序没有统一的模式，完全随用户应用的要求自行编制。,63,3通信中断服务程序,该程序是中断处理的核心，一般分成以下3段：（1）判断发生中断的中断源类型，通过读取中断识别寄存器（IIR）的标识位，找到相应中断服务程序的入口地址。（2）中断处理，对不同的中断类型，进行不同的处理：如果是接收数据寄存器就绪中断则从INS8250数据寄存器读取数据如果是发送保持寄存器空中断，则从内存读取字符写到16550发送保持寄存器如果是接收数据出错引起的中断，则从16550线路状态寄存器读取状态进行分析，根据错误终止或作出相应的处理；如果是MODEM状态变化引起的中断，则从16550的MODEM状态寄存器读取状态进行分析，根据状态变化，作出相应的处理。,第9章 串行通信接口,64,3通信中断服务程序,（3）判断是否有尚未处理的中断。每种中断源处理后，要继续判别中断识别寄存器的最低位IP是否为0。若为0，则输入标识位指示的相应中断处理；若为1，则结束中断处理（通常发中断结束命令EOI到中断控制器），并以IRET返回被中断的通信程序。,第9章 串行通信接口,