微机原理计算机接口技术

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1、7.5 串行通信与可编程串行通信接口8251A,许多I/O 器件与CPU，或计算机与计算机之间交换信息，是通过一对导线或通过信道来传送信息。这时，每一次只传输一位信息，每一位都占据一个规定长度的时间间隔，这种数据一位一位顺序传送的通信方式称为串行通信。 与并行通信相比，串行通信具有传输线少、成本低的特点，特别适合于计算机与计算机、计算机与外部设备之间的远距离通信，其缺点是速度慢。,$7.5.1 串行通信基础 一、串行通信需要解决的问题 1. 同步 与并行接口相比，实现串行传输首先要解决同步问题。 同步包括位同步、字节（帧）同步和数据块同步。 位同步就是生成接收数据的采样时钟，保证对每个数据比特

2、的正确接收，这是串行接收的首要条件。有了采样时钟，就可对接收数据进行串行到并行的变换； 字节同步或帧同步是保证对接收数据字节和数据块的正确划分，以便于把变换的并行数据按字节和块组织存放； 数据块同步是保证数据块按正确的顺序发送和接收，以免接收块多出或遗漏，这主要由软件解决。,2. 差错控制 远距离通信必然存在差错（误码）。要保证通信的可靠，必须采用某种措施解决这个问题。有两种方法，即检错和纠错。 检错：在发送信息中加入冗余位，使接收端能识别接收信息的正确或错误。一旦发现错误，就采用措施补救，比如，重发出错的数据块，叫作出错自动请求重发，即ARQ。 纠错：在数据中假如有更多的冗余位，使接收端不但

3、能检查接收数据的正误，而且能纠正错误的数据位，这叫纠错编码技术。 在计算机的数据串行传输中，一般采用的检错措施有奇偶校验（parity check）、校验和（sum check）以及循环冗余校验（CRC）。 3. 通信协议（规程） 通信协议规定通信链路的建立和拆除、命令和响应以及出错时的恢复等各种约定。是双方保证可靠通信时必须遵守的协议。,二、串行通信数据传送方向 在串行通信中，数据通常在两个站（如终端和微机）之间进行传送，按照数据流的方向可分为3种基本的传送方式：全双工、半双工和单工。 1. 全双工通信 如图1（a），两端分别用独立的发送器和接受器，及传输线来发送和接收信号，通信双方都能在同

4、一时刻进行发送和接收操作。这种方式称全双工通信。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，这样，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（例如远程检测和控制系统）十分有利。,2. 半双工通信 如图1（b），若使用同一根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、只能交替进行，通过软件和接口的协调控制，实现传输换向。这种方式称半双工通信。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/

5、发开关实际上是由软件控制的电子开关。 3. 单工通信 如图1（c），只允许一个方向传输数据，不能进行反方向传输。这种方式称单工通信。已很少采用。,三、串行通信数据的收发方式 在串行通信中数据的收发可采用异步和同步两种基本的工作方式。 1. 异步通信方式 异步通信是以字符为独立信息单位传送的，每个字符为1帧数据。通信中相邻两帧间的时间间隔是不定的。而同一帧数据中的两个代码间的时间间隔是固定的。异步通信的数据格式如图2所示。第1位称起始位，它的宽度为1位，低电平；接着传送一个字节（58位）的数据及一位奇偶校验位；最后是停止位，宽度可以是1位，1.5位或2位。在两个数据组之间可有空闲位。,异步通信时

6、字符是一帧一帧传送的，每帧字符以起始位和停止位作为联络信号。传送开始后，接收设备不断检测传输线，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，说明起始位出现，起始位确认后，就开始接收所规定的数据位和奇偶校验位以及停止位。去掉停止位，把数据位整理成一个并行字节，并经奇偶校验无误才算正确地接收一个字符。接收设备继续检测传输线，接收下一个数据。,在异步通信中，发送器和接收器之间必须有两项共同的规定： 字符的格式 即字符的编码形式，奇偶校验、起始位和停止位的规定。例如用ASCII码时，7位为字符，一位为偶校验位，一个起始位以及一个停止位，共10位为一帧。 波特率 即

7、传送数据位的速度。二进制用位/秒（bit/s）来表示。例如，设数据传送的速率为120字符/秒，每个字符（帧）包括10位，则传送波特率为： 10120=1200位/秒=1200波特 通常，异步通信的波特率在509600波特之间，高速的可达19200波特。在串行通信中大都采用异步通信。它允许发送端和接送端的时钟误差或波特率误差达4%5%。,2. 同步通信 在同步通信时所使用的数据格式根据控制规程分为面向字符及面向比特的两种。 面向字符型的数据格式：面向字符型的同步数据格式可采用单同步、双同步及外同步3种数据格式，如图3所示。 单同步是在传送数据之前先传送一个同步字符“SYNC”，双同步则先传送两个

8、同步字符“SYNC”。接收端检测到该同步字符后开始接收数据。外同步通信的数据格式中没有同步字符，而是用一条专用控制线来传送同步字符，使接受方及发送端实现同步。当每一帧信息结束时均用两个字节的循环控制码CRC为结束。,面向比特型的数据格式：根据同步数据链路控制规程（SDLC）,面向比特型的数据以帧为单位传输，每帧由6个部分组成。第1部分是开始标志“7EH”；第2部分是一个字节的地址场；第3部分是一个字节的控制场；第4部分是需要传送的数据，数据都是位（bit）的集合；第5部分是两个字节的循环控制码CRC;最后部分又是“7EH”，作为结束标志。面向比特型的数据格式如图4所示。,在SDLC规程中不允许

9、数据段和CRC段中出现6个“1”，否则会误会认为是结束标志。因此要求在发送端进行检验，当连续出现5个“1”，则立即插入一个“0”，到接收端要将这个插入的“0”去掉，恢复原来的数据，保证通信的正常进行。 通常，异步通信率要比同步通信的低。 最高同步通信率可达800K位，因此适合用于传送信息量大，要求传送速率很高的系统中。,四、信号的调制与解调 计算机的通信是一种数字信号的通信，它要求传输线的频带很宽。但在目前长距离的通信中，大都采用电话线进行信息传递，而电话线的频带又没有这么宽，所以，简单地直接使用电话线去传送数字信号，就会造成信号的畸变。 为了保证信号的可靠性，在长距离通信中，常常采用调制/解

10、调器来保证信号品质。调制器（Modulator）把数字信号转换为模拟信号，经过传输线传送到目的地后，再用解调器（Demodulator）检测此模拟信号，再把它转换成数字信号，如图5所示。通常把调制、解调电路做在一起，构成调制/解调器。在串行通信中，要用一对调制/解调器来实现信号转换。,调制/解调的实现方法很多，如FSK ( Frequency Shift Keying ) 移频键控式是其中常用的一种。它把数字信号的“1”和“0”调制成不同频率的模拟信号，这两种不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运算放大器的输入端相加，而电子开关由要传输的数字信号（即数据）控制。当信号为“1”时，控制上面

11、的电子开关导通，送出一串低频模拟信号，于是在运算放大器的输出端，就得到了调制后的信号。,五、串行通信接口标准 1. RS-232-C接口标准 在串口通信接口标准中，通常采用RS-232-C接口。RS-232-C是EIA ( Electronics Industry Association Recommends Standard ) 推荐为国际通用的一种串行通信接口标准。它实际上是一个25芯的D型连接器（图6（b），其中一个引脚都有标准规定，且对信号电平也有标准规定。所以，对于任何具备RS-232-C接口的设备都可以不需要附加其他硬件而与计算机相连接。图6（a）是其最基本的常用信号规定。目前在普

12、通微机中还常用9芯D型连接器，如图6（c）所示。 凡是符合RS-232-C接口标准的计算机或外设，都把它们往外发送的数据线连至25芯连接器的2号引脚，接收的数据线连到3号引脚，如图6（d）。显然，在插头连线时，一方的接收数据线与另一方的发送数据线相连。,在串行通信中，除了数据线和地线外，为了保证信息的可靠传送，还有若干联络控制信息线互相连接。这些联络控制线有： 请求发送 ( Request To Send ) 当发送器已经作好了发送的准备，为了了解接收方是否作好了接收准备，是否可以开始发送，就向对方输出一个有效的信号，以等待对方的回答。 准许发送( Clear To Send ) 当接收方做好

13、了接收的准备，在接收到发送方送来信号后，就以有效的信号作为回答。 数据终端准备好( Data Terminal Ready ) 通常当某一个站的接收器已做好了接收的准备，为了通知发送器可以发送，就向发送器发出一个有效的信号。 数据装置准备好( Data Set Ready ) 当发送方接收到接收方送来的有效的信号，在发送方做好了发送的准备后，就向接收方发出一个有效的信号作为回答。,振铃指示器RI和载波检测CD为作为调制解调器输出到接收方的信号，通知接收方准备接收数据。通常用于电话网路中。 RS-232-C除了对信号引脚的定义作了规定外，对信号电平标准也有规定，即采用负逻辑规定逻辑电平：5 15

14、V 规定为“1”，而将+5V +15V 规定为“0”。 可以实现TTL与RS-232-C标准之间电平转换的芯片有很多。目前较广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154芯片可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTL与EIA双向电平转换。图7采用的是ICL232，它的工作电源为单一+5V。在三线方式下（图6（d），一个ICL232芯片可以实现两组串口信号的电平变换。,2. RS-422A接口标准 在通信速率低于20Kb/s时，RS-232-C所能直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。为

15、了实现在更大的距离和更高的速率上直接连接，EIA在RS-232-C的基础上，制定了更高性能的接口标准。 RS-422A标准是一种平衡式传输。所谓平衡方式，是指双端发送和双端接收，所以，传送信号要用两条线AA和BB，发送端和接收端分别采用平衡发送器（驱动器）和差动接收器如图8所示。这个标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输线之间的电位差值来决定，当AA线的电平比BB线的电平高于200mV时表示逻辑“1”；但AA线的电平比BB线的电平低于200mV时表示逻辑“0”。很明显，这种方式和RS-232-C采用单端接收器和单端发送器，只用一条信号线传送信息，并且根据该信号线上电平相对于公共的信号地电

16、平的大小来决定逻辑的“1”和“0”是不同的。RS-422A接口标准的电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。他通过平衡发送器把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过差动接收器，把电位差变成逻辑电平，实现终端的信息接收。RS-422A标准由于采用了双线传输，大大增强了抗共模干扰的能力。因此最大传输速率可达10Mb/s（传送15m时）。若传输速率降到90Kb/s时，最大距离可达1200m。该标准规定电路中只许有1个发送器，可有多个接收器。该标准允许驱动器输出为26V，接收器输入电平可以低到200mV。,为了实现RS-422A标准的连接，许多公司推出了平衡驱动器/接收器集成芯片，如MC3487/3486、SN75174/75175等。 例如，在YSJC-A型微机远距离水位自动监测系统中，采用MC3487和MC3486分别作为平衡发送器和差动接收器，传输线采用普通的双绞线，在零MODE方式下传输速率为8Kb/s时，传送距离达到了1.5 km。 MC3487和MC348