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1、第 10 章串行通信 和可编程接口芯片8251A中国科学技术大学 何克东10.1 串行通信的基本概念o通信：计算机与外部设备交换信息o串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号线，一位一位顺序传送的方式o串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在远距离通信时可以极大地降低成本o串行通信适合于远距离数据传送，也常用于速度要求不高的近距离数据传送oPC系列机上有两个串行异步通信接口，键盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送一、串行通信与并行通信的比较从通信距离上看：并行通信适宜于近距离的数据传送，通常小于30米。而串行通信适宜于远距离传送，可以从几米到数千公里。从通信速率上看：一般应用中，在短距离内，并行
2、接口的数据传输速率显然比串行接口的传输速率高得多，但长距离内串行数据传送速率会比并行数据传送速率快。由于串行通信的通信时钟频率较并行通信容易提高，因此许多高速外部设备，如数字摄像机与计算机之间的通信也往往使用串行通信方式。 从抗干扰性能上看：串行通信由于只有一两根信号线，信号间的互相干扰完全可以忽略。从设备和费用上看：随着大规模和超大规模集成电路的发展，逻辑器件价格趋低，而通信线路费用趋高，因此对远距离通信而言，串行通信的费用显然会低得多。另一方面串行通信还可利用现有的电话网络来实现远程通信，降低了通信费用。串行通信与并行通信相比,虽然有许多优点,但也随之带来了数据的串/并及并/串转换、数据格
3、式的要求以及位计数等问题，使之比并行通信实现起来更复杂。一、数据传送方向全双工站A站B站A站B站A站B半双工单工二、串行传送的两种基本工作方式o异步方式:接收端的时钟完全独立于发送端。由自己内部的时钟发生器产生，但它的标称频率必须与发送端一致。o同步方式：接受端的时钟与发送端严格一致。只要使第一位的相位关系正确，以后就可以在一次传输中始终保持这个正确的关系，不会产生任何积累误差。1. 异步方式o串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送o收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题o串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信
4、协议是起止式异步通信协议异步串行数据发送格式o起始位 每个字 符开始传 送的标志 ，起始位 采用逻辑0 电平起始位校验位停止位空闲位数据位低位高位字符0/10/10/10/110111数据位数据位 紧跟着起始位传 送。由58个二 进制位组成，低 位先传送校验位 用于校验是 否传送正确 ；可选择奇 检验、偶校 验或不传送 校验位停止位表 示该字符传送 结束。停止位 采用逻辑1电平 ，可选择1、 1.5或2位空闲位传送字符之 间的逻辑1电平，表示没 有进行传送2. 同步方式o以一个数据块（帧）为传输单位，每个数据块附加1个或2个同步字符，最后以校验字符结束o同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但
5、硬件电路比较复杂o串行同步通信主要应用在网络当中o最常使用高级数据链路控制协议HDLC同步字符数据数据数据校验字符三、数据传输速率o数据传输速率称为波特率(Baud Rate)n每秒传输的二进制位数bpsn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【例】如果一个串行字符由1个起始位，7个数据位，1个奇偶校验位和1个停止位等10个数位构成，每秒钟传送120个字符，则数据传送的波特率为：10位/字符120字符/秒=1200位秒=1200波特传送每位信息所占用的时间为：1秒/1200=0.833毫秒常用的波特率为110、300、600、1200、2400、4800、9600和192
6、00波特，它也是国际上规定的标准波特率。同步传送的波特率高于异步传送方式，可达到64000波特。四、串行接口芯片UART和USARTnUART 通用异步收/发器(Universal Asynchronous ReceiverTransmitter)nUSART 通用同步异步收发器(Universal SynchronousAsynchronous Receiver Transmitter)；UART移位寄存器并行寄存器(帧出错)(溢出错)(接收数 据就绪)(发送缓 冲区空)五、 调制解调器 o调制（Modulating）n把数字信号转换为电话线路传送的模拟信号o解调（Demodulating）
7、n将电话线路的模拟信号转换为数字信号o调制解调器MODEMn具有调制和解调功能的器件合制在一个装置三种调制方式FSK调制法原理图10.2 可编程串行通信接口8251A8251A是可编程的串行通信接口，有下列基本功能o通过编程，可以工作在同步方式也可以工作在异步方式o在同步方式下，每个字符的长度可占58位，内部能自动检测同步字符，实现同步。o在异步方式下，每个字符的长度可占58位，1位奇偶校验位，自动为每个数据增加1个启始位，根据编程为每个数据增加1、1.5、或2个停止位发送缓冲器发送 控制 电路接收缓冲器接收 控制 电路数据 总线 缓冲器读/写 控制 电路调制解 调器控 制电路TxDTxRDY
8、TxETxCRxDRxRDYSYNDETRxCD7D0RESET CLK C/D RD WRCSDSRDTR CTSRTS8251A内部结构一、8251A的内部结构1数据总线缓冲器 数据总线缓冲器是三态双向8位缓冲器，它使825lA与系统数据总线连接起来。它含有数据缓冲器和命令缓冲器。CPU通过输入输出指令可以对它读写数据，也可以写入命令字，再由它产生使8251A完成各种功能的控制信号。另外，执行命令所产生的各种状态信息也是从数据总线缓冲器读出。2接收器接收器由接收缓冲器和接收控制电路组成。接收器 的功能是，在接收时钟RxC作用下，从数据接收端RxD接收串行数据，送至接收移位寄存器，同时进行校
9、验，若 发现错误，则在状态寄存器中保存，以便CPU处理。如果是异步方式，则识别并删除启始位和停止位。如果是 同步方式，则要检查同步字符，确认已达到同步，才开 始接收数据。一帧数据接收完毕，把它们从移位寄存器 并行送入接收数据缓冲器。并把它转换为并行数据。当 校验无错时，才将并行数据存放在数据总线缓冲器中， 并发出接收器准备好信号(RxRDY=1)，通知CPU读数。 接收数据的速率取决于从RxC端输入的接收时钟频率。数据采样过程起始检测确定已检测到起始位采样数据起 始 位时钟 （RCLK）数据线 （SIN）T16 T16 T8 T数据接收时钟频率是数据传输频率的16倍 正确识别起始位，防止因干扰
10、引起的误识别接收器有关信号RxC 接收时钟当时钟处在上升沿时，把数据取样输入移位寄存器。时钟速率的规定与TxC相同。在实际使用中，RxC和TxC往往连接在一起，用同一个时钟源。RxD 接收数据用来接收外设送来的串行数据，按规定检查有关字符或有关位后，经串并转换，送入数据总线缓冲器，RxD在时钟RxC上升沿采样输入。RxRDY 接收器准备就绪如果该位为高电平，表示接收缓冲器中已经接收并组装好了一个数据字符，通知CPU将它取走。与TxRDY相似，RxRDY也可用做中断请求信号。CPU也可以通过读状态字了解接收器状态。一旦CPU取走这个数据字符，RxRDY就被RD的前沿复位。要是CPU没有及时取走数
11、据，新接收数据将覆盖数据，使一个数据丢失，出现溢出错误，并反映在状态字中。SYNDET/BD 同步/断点检测芯片在同步方式工作时,用做同步检测端;异步时则用做中 止检测输出。芯片可以由编程确定是内同步还是外同步。如果 是内同步,就由芯片内电路搜索同步字符,一旦找到,就由该端输 出一个高电平。如果是外同步,当片外检测电路找到同步字符后 ,就可以从该引脚输入一个高电平信号,使8251A正式开始接收。 一旦开始正常接收数据,同步检测端就恢复低电平输出。异 步方式工作中,通常在线路上无数据时以高电平表示。在8251A 中也可以由程序控制,使无数据的间断时间内线路上呈现低电平 ,即发送一个字符长度的全“
12、0”码。接收端具有对这种中止码 检测的能力,如果检测到中止码,则将从该端输出一个高电平。 为了避免接收器对尚未正式开始工作的线路低电平误认为中止 状态,8251A在复位后总要在检测到一次高电平输入后,才开始对 中止状态的检测。常见的错误类型有奇偶错误、帧错误和溢出(丢失)错误三类。奇偶错误(Parity Error)：在接收时，8251A检查接受到的每一个字符的“1”的个数，若不符合要求,则置这个标志,发出奇偶校验出 错信息。帧错误(Frame Error)：若接受的字格式不符合规定(例如缺少停止 位等)，则置出错标志，发出帧错误信息。溢出(丢失)错误(Overrun Error):8251A
13、是一种双缓冲器结构。例 如，在接收时，接受的数据先由移位寄存器移位,把串行数据变为并 行数据，然后送到接收数据寄存器,由CPU的输入指令输至CPU中。若 数据已变为并行且已送至接收数据寄存中时,8251A就可以接收另一个 新的字符。但是,若已接受到第二个字符的停止位,且要把第二个字符 传送到接收数据寄存器中时,CPU还未取走上一个数据,于是就会出现 数据丢失,这就置溢出错误标志。由此可见,若数据缓冲器的级数越多 ,则溢出错误的概率就越小。3发送器发送器由发送缓冲器和发送控制电路组成。发送器的功能是，首先把待发送的并行数据转换成所要求的帧格式并加上校验位，然后在发送时钟TxC的作用下，由TxD引
14、脚一位一位地串行发送出去。发送完一帧数据后，发送器准备好信号置位(TxRDY=1)，通知CPU发送下一个数据。如果是异步方式，由发送控制电路加上起始位和停止位，经移位寄存器在发送时钟TxC的作用下，从数据输出端TxD逐位串行输出。如果是同步方式，在发送数据之前，根据编程的设定，先发送出一个（单同步）或两个（双同步）同步字符。与发送器有关信号TxC 发送器时钟控制发送器数据速率的时钟。每个数据的移位输出，是 在TxC的下降沿实现的。异步方式下，TxC的频率可以是数 据速率的1，16或64倍。同步方式时，TxC的频率与数据速 率相同。例如,300波特的速率,编程决定TxC是它的16倍,则TxC 端
15、的时钟频率应为300164800Hz。TxD 发送数据发送缓冲器从数据总线上接收数据，转换成串行数据流 ，按要求插入附加字符或附加位后，在时钟TxC的下降沿按 位从TxD上发送出去。TxRDY 发送器准备就绪如果该信号有效，就表示发送缓冲器已空，CPU可以 向芯片送入新的数据。这个信号的状态要受到命令字中 TxEN位(允许发送)的控制。如果把TxRDY信号作为向CPU请 求数据的中断信号，TxEN位就可以看做是中断控制的屏蔽 位。在8251A的状态字中有一位TxRDY，CPU也可以用查询 的方式判断是否可以送数据。TxE 发送缓冲器空该位为高电平时，表示发送缓冲器中没有要发送的数 据了。当从C
16、PU送入一个数据字符时，TxE变成低电平。这 个标志可以用来表示一段数据传输的结束。如果是半双工 工作，这个标志可以用做从发到收的转换。同步工作时， 如果临时出现TxE，就意味着数据发送出现空缺，芯片会 自动插补同步字符。4.读/写控制电路n与CPU的连接信号 RESET 复位当这个引脚上出现一个6倍时钟宽的高电平信号时，芯片被复位，使芯片处于空闲状态。这个空闲状态将一直保持到由编程确定了新状态才结束。在系统中使用此芯片时，总是把复位端与系统的复位线相连，使它受到加电自动复位和人工复位的控制，所以8251必须在编程后才能使用。CLK 时钟这是一个提供片内逻辑操作的时钟,可以从系统时钟发生器上取得。这个时钟的频率与数据速率并无直接关系，但是为了使电路工作可靠，在同步方式下最好使这个频率比数据速率大30倍以上。在异步方式下，大4.5倍。WRRD 读、写控制是CPU对8251A中的寄存器读、写时的控制信号。C/D 控制/数
