第八章串行通信接口.ppt

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1、第八章 串行通信接口,并行通信虽然同时可传送多位数据，但如果用于长距离传输就必然需要大量的通信线路和中继设备等，而且在技术上也非常困难。因此，并行通信不适宜于长距离的通信(如计算机网络)。在长距离的通信中，往往使用串行通信。串行通信就是指用串行传输的方式来完成的通信。串行传输是在一条通信线路上把要传输的数据以二进制位一位一位地顺序地发送到接收端，由接收端再组装成相应的数据。串行通信是现代通信网和计算机网的基础。现在，串行通信也大量应用于计算机与周边设备之间的通信。,8.1 串行通信基础,通信指计算机与外部设备或者其他计算机之间的通信。串行通信所需的信号线较少，并且可以利用现有的电话网传送信息，

2、特别适合于远距离传送。对于计算机与距离较近的外部设备之间的通信也常常使用串行方式。,和并行通信相比，串行通信有以下一些特点。1.在进行串行传输之前必须将并行数据转换成串行数据流；在接收端又要将收到的串行数据流转换成并行数据。即并-串转换和串-并转换。这种转换通常是以字节为单位进行的。2.传输的二进制位流中必须包含数据流和控制流。控制流用于接收端控制数据的组装、识别数据的真伪。3.通信的双方约定串行通信的数据格式。这种约定就是串行通信协议。4.串行通信中常常需要进行逻辑关系和逻辑电平的转换。5.串行通信中的物理传输手段各不相同。6.串行通信用于计算机与其周边设备间的信息交换时，连接线路简单。,本

3、节将介绍串行通信的基本概念、主要几种串行通信协议的数据格式以及主要的串行通信接口标准。,8.1.1 串行通信中的基本概念,1.串行数据传送方向在串行通信中，数据通常是在两个点(如终端和微机、微机和微机)之间进行传送，按照数据流的方向可分成3种基本的传送方式：单工、半双工和全双工。(1)单工。在通信双方的一方只发送数据，而另一方只接收数据，这样在它们之间的传输线上数据就只向一个方向流动，即从发送方到接收方。这种传送方式就是单工制(Simplex System)。,(2)半双工。若使用同一条传输线既作接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式就是半双工(

4、Half Duplex System)制。采用半双工时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收/发开关转接到通信线上，进行方向的切换，因此，会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。,(3)全双工当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工(Full Duplex System)制。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用(例如远程监测和控制系统)十分有

5、利。,目前多数终端和串行接口都为半双工方式提供了换向能力，也为全双工方式提供了两条独立的引脚。在实际使用时，一般并不需要通信双方同时既发送又接收，像打印机这类的单向传送设备，半双工甚至单工就能胜任，也无需倒向。,2.串行通信中的同步,在串行传输数字信号时，在接收端必须要有移位时钟脉冲来控制将信号逐位读入(一般使用时钟脉冲的上升沿在数据脉冲位的中间时刻将数据逐位移入移位寄存器)，然后按某种方式组装成与发送端发送数据完全相同的接收数据。这种让时钟脉冲与数据脉冲之间的频率和相位保持一致的机制以及相应的数据装配就叫做同步，实现同步的技术就是同步方式。串行通信中的同步有异步方式和同步方式两类。,(1)异

6、步方式,异步方式是一种字符同步方式。所谓异步是指所传数据的每两个字符之间的间隔时间可以不相等。这种传输每个字符以起始位开头，以停止位结束，中间是被传输的数据位，每位数据位都与发送端同步，所以又称为起止式同步方式。这种方式在传输的两端之间传送的每个字符都要同步一次。因此，每个字符都是一个独立的信息单位(称为一帧)。,发送端，在发送每一个字符的串行数据前加一个起始位，在数据位结束时加一位奇偶校验位(可选)、一到二位结束位，这就是异步传送完整的一帧。起始位是低电平，结束位是高电平。所发送的位宽等于发送端的移位时钟脉冲的周期宽度，即发送是在移位时钟脉冲的控制下把并行数据转换成串行数据的。接收端，为了正

7、确的接收数据就必须采用和发送端相同频率的移位时钟脉冲。由于接收端与发送端不是同一时钟源，因此接收频率和发送频率可能会有一些误差。,为了保证采样精度，接收移位时钟脉冲采用频率是发送时钟频率N倍的时钟源经过N分频(方波分频)得到。接收端的接收过程为：接收端在初始状态时分频器输入被禁止输出就为低电平，当收到收到起始位的负跳变时，分频器输入频率被允许，当分频器计数到N/2时将输出高电平。这个上升沿将再次采样输入信号，如果还是低电平就认为是起始位，在下一个上升沿就将开始采样数据位。对约定的数据位数采样完成后(含奇偶位，如果有的话)，采样约定位数的结束信号，如果是高电平则本次传输完成，置分频器输入禁止状态

8、。,异步方式虽然在输出/输入端不使用同一个时钟源，但由于频率相同且每个字符都要同步一次，即使有一定的时钟偏差也不会向后累积，能够保证接收的可靠性。,(2)同步方式,发送端发送的每位信息都带有同步信息。在实际应用中，使用同一时钟源作为发送端和接收端的移位时钟脉冲。这样就不需要在数据中附加控制冗余信息，提高了数据传输率，但增加了一条通信线路。这种方式必须控制数据线和同步线的畸变和相移，以保证接收端能够正确接收数据。同步方式一般是以数据块为信息单位传送，而每帧信息包括成百上千个字符或比特(二进制位)。数据块内部的位传送是同步的，数据块与数据块之间的传送也应该是同步的，这就是同步通信。,同步方式有两种

9、形式：外同步和内同步。外同步是指不但每一位有同步时钟，而且发送端在发送一个数据块之前要先发送一个块同步信号，通知接收端在下一个采样时钟位置是下一个接收数据块的第一个比特。至于如何对接收到的比特流进行划分，要按事先的约定。内同步无需数据块同步信号，数据块的同步采用比特流中的同步码来同步，同步码后面就是数据，数据划分同样根据事先约定。内同步格式的通信协议一般有两种：面向字符的通信协议和面向比特的通信协议。,3.数字数据编码技术,数字数据可以以数字信号或模拟信号在通信信道上传输，主要根据传输设备和传输介质的不同而采用不同的方式。,(1)数字数据的数字编码技术,数字数据以数字信号传输时，往往要进行编码

10、，以保证数据在信道上正确地传输。目前，在传输数字信号时往往采用曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。这两种编码在每一位数据位的中心都有一个跳变，接收端可以将它分离出来作为同步信号。由于它们的每位数据位都带有同步信息，所以又称为自同步编码。如图8.1所示。,曼彻斯编码以在数据位中心的跳变来判断这位数据是0或是1，正跳变(由低电平到高电平)表示0，负跳变(由高电平到低电平)表示1。差分曼彻斯特编码是以每位数据位的开始是否有跳变来表示这位数据是0还是1，在数据位开始时有跳变为0，无跳变为1。由于曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码在数据波形上就携带了时钟信息，在一条传输线上传输数据和同步时钟就不会出现失步，因此

11、可以用较高的传输率传输数据。,(2)数字数据的模拟编码技术,在线路上传输的脉冲信号可以分解成直流分量、低频与高频谐波分量，因此数字信号的传输需要很宽的频带。如果在带宽较窄的信道传输数字脉冲信号，则会滤去一些谐波分量，造成脉冲波形畸变导致传输失败。于是，在带宽较窄的信道传输时发送端要将数字信号变换成一定频率范围内的模拟信号在某一频带内传输，接收端将这些模拟信号变换成数字信号接收，这种变换和反变换就称为调制和解调。调制过程是用数字信号对一定频率的正弦载波信号的振幅、频率、相位进行控制，使之加载到载波信号上。接收端将数字信号从加载的载波信号上分离出来，就是解调过程。,调制方式一般有三种：调幅、调频和

12、调相，又分别称为移幅键控(ASK，Amplitude Shift Keying)、移频键控(FSK，Frequency Shift Keying)和移相键控(PSK，Phase Shift Keying)。在对数字数据的传输中，不改变数字信号的波形和频率的传输方式称为基带传输，而传输经过调制后的变成模拟信号的传输方式称为频带传输。,4.传输速率与传输距离,在串行通信中，传输速率用波特率来表示。所谓波特率，是指单位时间内传送二进制数据的位数，其单位是位/秒(bit/s)。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。有时也用“位周期”来表示传输速率，位周期是波特率的倒数。传输距离是指发送端和接收端之间直接

13、传送串行数据的最大距离(误码在允许的范围内)。它与传输速率及传输介质的电气特性有关，往往传输距离随传输速率的增加而减小。,5.传输差错控制,串行数据在传输过程中，由于干扰而引起误码是难免的，这将直接影响通信系统的可靠性，所以，通信中的差错控制能力是衡量一个通信系统的重要指标。我们把如何发现传输中的错误，叫检错；在发现错误之后，如何消除错误，叫纠错。一个可靠的通信系统必须提供无差错的传输服务，差错控制的作用就是在通信过程中发现和纠正误码。,(1)数据传输的差错控制方式,反馈重传纠错(ARQ，Automatic Request for Repeat)在发送端发送具有检错功能的编码，发送完后保存该数

14、据，等待接收端的应答。在接收端根据检错码的编码规则判断所接收的数据是否正确，并把判断结果反馈给发送端。如果发送端收到的是无错应答，就删除所保存的发送数据，继续发送下一个数据；如果是有错应答，则将保存的数据重发。这种检纠错的方式简单，检错的冗余信息位不多，因此应用广泛。但当通信信道干扰严重时，通信就会经常处于重传状态而无法进行下去。因此，这种方式要求信道的误码率小于一定的值，一般误码率小于10-7的信道为合格。误码率是指错误码的位数与所传输的总位数之比值。,前向纠错(FEC，Forward Error Correcting)在发送端发送具有纠错功能的编码，与检错码相比，要增加一些冗余信息来完成纠

15、错功能。接收端根据纠错码的编码规则，不但能检出错误编码，而且还能纠正它。采用该方式发送端就不必等待应答。但一种纠错编码能纠正的编码位数是有限的，而且纠正的误码位越多要求的冗余位也越多，编解码过程也越复杂。如果误码的位数超过该编码的纠错能力，这种方式就无能为力了。,混合纠错(HEC，Hybrid Error Correcting)综合了以上两种方式，在发送端发送能纠错的编码，在接收端如发现误码在纠错能力范围内则直接纠错且反馈无错应答，如发现误码超过纠错能力则向发送端反馈误码信息请求重发该组数据。,(2)常用的检纠错方法,在基本通信规程中一般采用奇偶校验或方阵码检错，以反馈重发方式纠错；在高级通信

16、控制规程中一般采用循环冗余码CRC(Cyclic Redundancy Code)检错和自动纠错。,方阵码检错方阵码检错技术是奇偶校验与“检验和”的综合。例如，7位编码的字符附1位奇偶校验位，以使整个字节的“1”的个数为偶数或者为奇数。让若干个带检验位字符组成一个数据块，并对所有数据块中的字符纵向按位加，产生一个单字节的检验字符并附加到数据块末尾。这一检验字符实际是所有字节“异或”的结果，反映了整个数据块的奇偶性。在接收时，数据块读出产生一个检验字符，和发送来的检验字符进行比较。如果两者不同，就表明有错码，反馈重发。下面是一个方阵检验字符的生成示例。,1 1 0 1 0 0 1 0奇偶位0 1

17、 0 0 0 0 0 11 0 1 0 1 0 1 01 1 1 1 0 0 1 11 1 0 0 0 0 1 1_0 0 0 0 1 0 0 1,循环冗余码(CRC)检错和自动纠错循环冗余码CRC具有很高的纠错能力，在串行数据通信中得到广泛的应用。CRC码的特性：任何一个CRC码循环右(左)移一位产生的新码仍然是CRC码；任何两个CRC码按位异或结果仍然是CRC码。CRC的算法可以通过软件实现，也可以通过除法电路和移位电路硬件实现。当前，CRC码的编译码大都采用硬件实现。,8.1.2 串行通信的数据格式,在通信过程中，通信的各方都必须按统一的通信协议进行才能够完成通信。所谓通信协议是指通信各

18、方相互的一组约定，这组约定中要对包含同步方式、传送速度、数据格式、传送步骤、检纠错方式以及控制方式的定义等各个方面作出统一规定，以保证通信的顺利实施和完成。相互通信的各方必须共同遵守同一通信协议才能够正确完成相互间的通信。通信协议也叫做通信控制规程，或者传输控制规程，它在ISO的OSI七层参考模型中属于数据链路层。,当前较为广泛采用的串行通信协议有两类：起止式异步通信协议和同步通信协议。同步通信协议又有面向字符(Character-Oriented)的同步通信协议和面向比特(Bit-Oriented)的同步通信协议等各种同步通信协议。接下来讨论这几种通信协议的数据格式。,1.起止式异步通信协议

19、的数据格式,(1)帧格式由于在异步通信时被传送的字符出现在数据流中的相对时间是任意的与随机的，因此，为了确保异步通信的正确性，必须找到一种方法，使收/发双方在随机传送的字符与字符间实现同步。这种方法就是在字符数据格式中设置起始位和停止位，发送端在一个字符正式发送之前先发一个起始位，而在该字符结束时再发一个(或几个)停止位。接收端在检测到起始位时，便知道字符已到达，应开始接收字符；当检测到停止位时，则知道字符已结束。由于这种通信的数据格式是靠起始位和停止位来进行字符同步的，故称之为起止式数据格式。,起止式异步通信的帧数据格式,每帧信息(即每个字符)由4部分组成：1位起始位(低电平，逻辑值0)；5

20、8位数据位(传送的有效信息)；1位校验位(也可以没有校验位)；最后是l位，或l.5位，或2位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平(逻辑值1)，这样就保证起始位开始处一定有1个下跳沿。起始位和停止位是作为联络信号而附加的，它们在异步通信中起着至关重要的作用，为通信双方提供了何时开始/收发，何时结束的标志。,传送开始之前，发/收双方把所采用的起止式帧格式(包括字符的数据位长度，停止位位数，有无校验位以及是奇校验还是偶校验等)和数据传输速率作统一约定。传送开始后，接收设备不断地检测传输线，看是否有起始位到来。当收到一系列的“1”(停止位或空闲位)之后，检测到一个下跳沿，

21、说明起始位出现，起始位经确认后；就开始接收所规定的数据位和奇偶校验位以及停止位。经过处理将停止位去掉，把数据位拼装成一个并行字节：并且经校验后，无奇偶错才算正确地接收一个字符。一个字符接收完毕，接收设备又继续测试传输线，监视“下跳沿”的到来和下一字符的开始，直到全部数据传送完毕。,(2)特点,接收端自动实现字符同步和位同步。接收端以约定的传输速率的N倍(N通常为4、8、16、32、64等)的本地时钟产生接收端的采样时钟，采样时钟的上升沿作为采样信号，由前述知道，该上升沿差不多在信息位的中间位置。N称为波特率因子。对接收时钟的精度要求不是很高。由上述工作过程可以看到，异步通信是1次传送1帧数据(

22、1个字符)。每传送1帧数据，发送端都用起始位来通知接收端，以此来重新核对收/发双方的同步。若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以异步串行通信的可靠性高。,传输数据的速率慢、效率低。由于起止式数据格式允许上一帧数据与下一帧数据之间有空闲位，所以数据传输速率慢。由于要在每个字符的前后加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传送有用(效)的数据位减少，所以传输效率低(最大80)。接收电路相对简单，所以异步串行通信易于实现。基于以上这些特点，异步串行通信仍然是最广泛应用的通信方式之一。,2.面向字符的同步通信协议的数

23、据格式,这是一种内同步方式的同步通信协议。(1)帧格式这种同步通信协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议(BSCP)。它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了10个特殊字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，这10个特殊字符叫做通信控制字。由于被传送的数据块是由字符组成，因此被称作面向字符的数据格式。二进制同步通信协议的数据帧格式为：,其中，控制字符的定义如下：SYN是同步字符(Synchronous Character)，每一帧开始处都有一个或者两个SYN，加一个SYN的称单同步，加两个SYN的称双同步。设置同步字符是起联络作用

24、，传送数据时，接收端不断检测，一旦出现同步字符，就知道是一帧开始了。接着的SOH是序始字符(Start of Header)，它表示标题的开始。标题中包括源地址、目标地址和路由指示等信息。STX是文始字符(start Of Text)，它标志着传送的正文(数据块)开始。数据块就是被传送的正文内容，由若干个字符组成。,数据块后面是组终字符ETB(End of Transmission Block)或文终字符EXT(End of Text)。其中ETB用在正文很长，需要分成若干个分数据块，分别在不同帧中发送的场合，这时在每个分数据块后面用组终字符ETB，而在最后一个分数据块后面用文终字符ETX。一

25、帧的最后是校验码，它对从SOH开始直到ETX(或ETB)字段进行校验，校验方式可以是纵横奇偶校验或CRC校验。面向字符同步通信协议的数据帧格式中所采用的10个通信控制字符如表8.2所示。,(2)数据透明,因为在数据块中完全有可能出现与通信控制字符代码相同的数据字符，为防发生误解，在接收端必须区别开数据字符代码和特定的通信控制字符代码。为了解决这个问题，该同步通信协议就应具有将通信控制字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做数据透明。为此，在协议中设置了转义字符DLE(Data Link Escape)。当把一个通信控制字符看成数据时，在它前面要加一个DLE，这样接收器收到一个DLE就可预知下一

26、个字符是数据字符，而不会把它当作控制字符来处理了。由于DLE本身也是特定字符，所以当它出现在数据块中作为数据时，也要在它前面再加上另一个DLE。这种方法叫字符填充。字符填充实现起来相当麻烦，且依赖于所使用字符集的编码。,(3)特点,以数据帧为传送单位。每次传送都是一个完整的数据帧，它包含若干个控制字符、数据字符、校验字符。每个字符由8个二进制位组成。二进制位流的同步由发送端在每一位信息附加同步信号完成，数据块的同步由数据帧的同步字符控制完成。通信各方必须使用同一字符集。由于数据透明的字符填充完全依赖所使用字符集的编码，不同字符集的控制字符不一样，就无法实现数据透明。,3.面向比特的同步通信协议

27、的数据格式,这也是一种内同步方式的同步通信协议。(1)帧格式面向比特的协议中最有代表性的IBM的同步数据链路控制规程SDLC(Synchronous Data Link Control)，国际标准化组织ISO的高级数据链路控制规程HDLC(High Level Data Link Control)，美国国家标准协会ANSI(American National Standards Institute)的先进数据通信规程ADCCP(Advanced Data Communications Control Procedure)。这些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意二进制位，而且它是靠约定的位组

28、合模式，而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束，所以称为面向比特的协议。,SDLC/HDLC的数据帧格式,(2)帧信息的分段,SDLC/HDLC的一帧信息包括以下几个场(Field)，所有场都是从最低有效位开始传送。SDLC/HDLC标志符SDLC/HDLC协议规定，所有信息传输必须以一个标志符开始，并且以同一个标志符结束。这个标志符是二进制位串01111110，称标志场(F)。从开始标志符到结束标志符之间构成一个完整的信息单位，称为一帧(Frame)。所有的信息是以帧的形式传输的，而标志符提供了每一帧的边界。接收端可以通过搜索“01111110”来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步。,地址场和

29、控制场在标志场之后，可以有一个地址场A(Address)和一个控制场C(Control)。地址场用来规定与之通信的站点地址；控制场可规定若干个命令。SDLC规定：A场和C场的宽度为8位。HDLC规定：A场可为任意长度，接收方必须检查每个地址字节的第一位，如果为“0”，则后边跟着另一个地址字节，若为“1”，则该字节就是最后一个地址字节；C场为8位或16位，同理，如果控制场第一个字节的第一位为“0”，则还有第二个控制场字节，否则就只有一个字节。,信息场跟在控制场之后的是信息场I(Information)。信息场I场包含有要传送的数据，并不是每一帧都必须有信息场。即数据场长度可以为0，当它为0时，则

30、这一帧主要是控制命令。帧校验场紧跟在信息场之后的是两字节的帧校验场，帧校验场称为FC(Frame Check)场或称为帧校验序列FCS(Frame Check Sequence)。SDLC/HDLC均采用16位循环冗余校验码CRC，其生成多项式为CCITT多项式X16+X12+X5+l。除了标志场和自动插入的“0”位外，所有的信息都参加CRC计算。,(3)实际应用时的两个技术问题,“0”位插入/删除技术SDLC/HDLC协议规定以01111110为标志字节，但在信息场中也完全有可能有同一种模式的字节，为了把它与标志区分开来，所以采取了“0”位插入和删除技术。具体做法是：发送端在发送所有信息(除

31、标志字节外)时，只要遇到连续5个“1”，就自动插入一个“0”，当接收端在接收数据时(除标志字节)如果连续接收到5个“1”，就自动将其后的一个“0”删除，以恢复信息的原有形式。这种“0”位的插入和删除过程是由硬件自动完成的。,SDLC/HDLC异常结束如在发送过程中出现错误，SDLC/HDLC协议用异常结束(Abort)字符，或称失效序列使本帧作废。在HDLC规程中，7个连续的“1”被作为失效字符，而在SDLC中失效字符是8个连续的“1”。当然在失效序列中不使用“0”位插入/删除技术。SDLC/HDLC协议规定，在一帧之内不允许出现数据间隔。在两帧信息之间，发送器可以连续输出标志符序列，也可以输

32、出连续的高电平，它被称为空闲(Idle)信号。从上述同步协议的介绍可以看到，采用同步协议的数据格式，传输效率高，传送速率快，但其技术复杂，硬件开销大。故在一般应用中，采用异步通信协议的数据格式较多。,8.1.3 串行通信标准,为了使不同生产厂家产生的计算机设备或通信设备能够互连，需要一个通信接口标准。国际电话与电报顾问委员会CCITT定义，物理接口两端的设备分别称为数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)和数据电路终接设备DCE(Data Circuit-terminating Equipment)，后者也叫做数据通信设备DCE(Data Communication

33、 Equipment)。DTE包括各种用户终端、计算机等设备，DCE指提供给用户的通信设备如MODEM、电传机等。美国电子工业联合会(EIA)制定的RS(建议标准Recommended Standard)和CCITT制定的V系列和X系列接口标准都规定了接口的机械特性、电气特性、功能特性与规程特性。,1.RS-232C接口标准,该标准的全称是EIA-RS-232C标准(Electronic Industrial Associate-Recommended Standard 232C)是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。232标准与CCITT的V.24

34、基本相同。它适合于数据传输速率在020,000bit/s范围内、传输距离在15m以内的通信。由于通信设备厂商大都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机串行通信接口中广泛采用。,RS-232C标准最初是为远程通信连接数据终端设备DTE与数据通信设备DCE而制定的。因此，这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机(更准确地说，是计算机接口)与终端或外设之间的近端连接标准。很显然，这个标准的有些规定及定义和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE的立场上，而不是站在DC

35、E的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送或接收。,(1)EIA-RS-232C标准的信号线,RS-232C的信号线定义表8.3给出了RS-232C的信号名称、对应引脚号(DB-25连接器)及功能。RS-232C标准为主信道和辅信道共分配了25条线，其中辅信道的信号线，几乎没有使用，而主信道的信号线有9条(表中打*号者)，以下是这9个信号的说明：2号线发送数据(TxDTransmitted data)：通过TxD线DTE终端将串行数据发送到MODEM。3号线接收数据(RxDReceived data)：通过RxD线DTE终端接收

36、从MODEM发来的串行数据。,4号线请求发送(RTSRequest to send)：用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效(ON状态)，向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发送状态。5号线允许发送(CTSClear to send)：用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据。是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知DTE终端开始沿发送数据线TxD发送数据。,4号线和5号线这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工采用MODEM的系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统

37、中，因配置双向通道，因此不需RTS/CTS联络信号，使其处于高电平状态。6号线数据通信设备准备就绪(DSRData set ready)：有效时(ON状态)，表明MODEM处于可以使用的状态。7号线信号地(SGSignal Ground)：所有公共信号地。,8号线数据载波检测(DCD Data Carrier detection)线：用来表示DCE已接通通信链路，告之DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端(远地)的MODEM送来的载波信号时，使DCD信号有效，通知DTE终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字数据后，沿接收数据线RxD送到DTE终端。20

38、号线数据终端设备准备就绪(DTRData Set ready)：有效时(ON状态)，表明数据终端可以使用。,6号线和20号线这对DSR和DTR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，并不说明通信链路可以开始进行通信了。22号线振铃指示(RIRinging Indicator)：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。,上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如，只有当DSR和DT

39、R都处于有效(ON)状态时，才能在DTE和DCE之间进行传送操作。若DTE要发送数据，则预先将RTS线置成有效(ON)状态，等CTS线上收到有效(ON)状态的回答后，才能在TxD线上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信线路进行双向传送时，有一个换向问题，只有当收到DCE的CTS线为有效(ON)状态后，才能确定DCE已由接收方向改为发送方向了，这时线路才能开始发送。辅信道信号和主信道类似，这里不再赘述。,机械特性,连接器。232C标准规定了25针连接器DB-25，并且规定在DTE一端的插座为插针型，在DCE一端为插孔型。既可以用于同步通信，也可以用于异步通信。

40、在进行异步通信时，最多也只需9个信号：2个数据信号、6个控制信号、1个公共信号地。因此从286微机到现在的微机一般都采用DB-9型连接器，作为多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行口的连接器。DB-9型连接器的引脚信号分配与DB-25型引脚信号完全不同。因此，若通信的两端分别配接DB-25型连接器和DB-9型连接器，则必须使用专门的电缆连接它们。当DB-25作为DTE而DB-9作为DCE时，其对应关系如图8.4所示。,在通信速率低于20kbit/s时，RS-232C所能直接连接的最大物理距离为15m(50英尺)。232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4的情况下，DTE和

41、DCE之间最大传输距离为15m(50英尺)。可见这个最大的距离是在码元畸变小于4的前提下给出的。为了保证码元畸变小于4的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2500pF。然而，在异步通信实际应用中，码元畸变超过4，甚至为1020时，也能正常传输信息，这意味着驱动器的负载电容可以超过2500pF；而且由于工艺的改进，每英尺电缆的电容值也远远小于4050pF。因而传输距离往往可大大超过15m。,(2)电气特性 在TxD和RxD数据上 在RTS、CTS、DSR、DTR、DCD等控制线上 EIA-RS-232C与TTL转换由上可知，RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以

42、高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。,比较广泛的使用是用集成电路转换器件转换，如MCl488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，MCl489、SN75154芯片可实现EIA电平到TTL电平的转换，而MAX232芯片可完成TTLEIA双向电平转换。由于MCl488要求使用12V高压电源，不太方便。电平转换芯片MAX232，可以实现TTL电平与RS-323电平双向转换。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5V

43、电源便可工作，使用十分方便。图8.6是MAX232的转换电路逻辑图。,(3)点对点通信的连接方式,近距离与远距离通信时，所使用的信号线是不同的。所谓近距离是指传输距离小于15米的通信。在15米以上的远距离通信时，一般要加调制解调器MODEM，故所使用的信号线较多。,近距离通信时，不采用调制解调器MODEM(称为零MODEM方式)，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。近距离通信时的连接一般用不着使用载波检出和振铃信号。如图8.7(a)所示是最简单的情况，在通信中根本不要RS-232C的控制联络信号，只需使用3根线(发送线TxD、接收线RxD、公共信号地线SG)便可实现全双工

44、异步串行通信。图中的2号线与3号线交叉连接是因为在直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方都可发也可收。在这种方式下，通信双方的任何一方，只要请求发送RTS有效和数据终端准备好DTR有效就能开始发送和接收。,图8.7 零MODEM方式的两种连接方法,但这种情况由于没有联络信号，必须要考虑两端的同步问题。当接收端还没有将前一个字符数据读走的时候，后一个字符又来了，就会覆盖掉前一个字符而造成通信错误。,图8.7(b)所示是零MODEM方式的标准连接方法。双方的发送数据(TxD)和接收数据(RxD)交叉连接、请求发送(RTS)与允许发送(CTS)交叉连接、数据通信设备准备就绪(DSR)与数

45、据终端设备准备就绪(DTR)交叉连接。请求发送(RTS)端连接到对方的允许发送(CTS)端上，当它请求发送时，就使对方的允许发送有效，对方认为连接到其上的DCE设备允许发送数据了。双方都认为其对方是DCE设备。数据通信设备准备就绪(DSR)端连接到对方的数据终端设备准备就绪(DTR)端，当它有效时，认为连接到其上的DCE设备已准备就绪，可以发送数据了。同样，双方都认为其对方是DCE设备。,发送数据(TxD)端连接到对方的接收数据(RxD)端，在上述的联络信号的控制之下双方就可进行全双工传输或半双工传输了。,远距离通信时，由于通信线路少，所以一般要使用调制解调器MODEM。此时，若在通信双方的M

46、ODEM之间采用专用传输线进行通信，则只要使用28号信号线进行联络与控制，如图8.8中(a)所示。若在双方MODEM之间采用普通电话交换线进行通信，则还要增加RI(22号线)和DTR(20号线)两个信号线进行联络，如图8.8中(b)所示。,2.RS-449接口标准,为了改善RS-232C的电气特性、延长零MODEM方式的传输距离并最大限度地提高数据传输速率，EIA又发布了RS-449接口标准。RS-449标准定义了一个37条引脚的连接器，增加了10条信号线，但是它只规定了接口的功能、机械特性和规程特性，接口的电气特性则由RS-422A和RS-423A这两个标准规定。,(1)RS-423A接口标

47、准 RS-423A采用非平衡线路，每一路信号均为单端输出，差分输入。电路按传输方向分成两组，每个方向共用一条回线。当传输距离在12m以内时，数据速率可达到300kbit/s。RS-423A接口标准的电气连接如图8.9所示。,(2)RS-422A接口标准 RS-422A标准是一种平衡方式传输。所谓平衡方式，是指双端发送和双端接收。RS-422A标准由于采用了双线传输，大大增强了共模抗干扰的能力。当传输距离在12m以内时，数据速率可达到10Mbit/s，传输距离增加则速率降低，当传输距离为1km时，允许的最大传输速率为100kbit/s。该标准规定电路中只许有1个发送器，可有多个接收器。RS-42

48、2A接口标准的电气连接如图8.10所示。,3.RS-485接口标准,RS-485与RS-422A标准一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和RS-422A兼容，并且扩展了RS-422A的功能。两者主要差别是，RS-422A标准只许电路中有一个发送器，而RS-485标准允许在电路中可有多个发送器，因此，它是一种多发送器/多接收器的标准。RS-485允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是驱动发送器、接收器、收发器组合单元。RS-485的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同

49、一传输线的多点应用，其配置如图8.11所示。,RS-485标准的特点有：由于RS-485标准采用平衡发送/差分接收，所以，共模抑制比高，抗干扰能力强。传输速率高，它允许的最大传输速率可达10Mbit/s。传输信号的摆幅小(200mv)。传送距离远(指无MODEM的直接传输)，采用双绞线，在不用MODEM的情况下，当传输速率为100Kbit/s时，可传送的距离为1.2km，若传输速率降低，还可传送更远的距离。,能实现点对点、点对多点、多点对多点的通信，RS-485允许平衡电缆上共连接32个发送器、接收器、组合收发器。RS-485标准目前已在许多方面得到应用，尤其是在多点通信系统中，如工业集散分布

50、系统、商业POS收款机和考勤机的联网中用得很多，是一个很有发展前途的串行通信接口标准。,4.以上几种标准的比较,表8.4列出了RS-232C、RS-423A、RS-422A和RS-485几种标准的工作方式、直接传输的最大距离、最大数据传输速率、信号电平以及传输线上允许的驱动器和接收器的数目等特性参数。,8.1.4 串行通信接口的功能及传输控制器的环测,1.串行通信接口的基本功能,(1)进行串并转换串并转换是串行接口电路的重要任务。(2)自动实现数据格式化 接口自动生成起止式的帧数据格式，即自动插入起始位、校验位和停止位；在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前面加上同步字符和后面加上校