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1、1,第八章 串行通信接口,2,第八章 串行通信接口,8.1 串行传送的基本概念 8.2 串行通信的数据格式 8.3 串行通信接口标准 8.4 串行通信的接口与组成 8.5 可编程串行接口芯片8251A 8.6 串行通信接口电路设计 8.7 实验设计,3,8.1 串行传送的基本概念,8.1.1 并行通信与串行通信 8.1.2 串行通信的连接方式 8.1.3 通信速率 8.1.4 信号的调制与解调,4,8.1.1 并行通信与串行通信,通信指计算机与外设、计算机与计算机之间的数据交换。基本的通信方式分为两种： 并行通信 : 多位数据（8位、16位、32位）同时传输，每位数据占用一根传输线。 串行通信
2、： 数据通过一根传输线，按一定的格式一位一位地传输。如图8 .1所示。 优缺点比较: 串行通信的数据传输速率虽然比不上并行通信，但在远距离通信上，串行通信有着更大的优越性。这是因,5,图8.1 并行和串行通信示意图,6,8.1.1 并行通信与串行通信,为一方面，并行通信需用多条数据线进行数据传输，成本较高；而串行通信只需一根传输线，可以利用现有的电话网络（电话线）实现远程通信，通信费用大大降低。另一方面，多路并行信号传输时，线间存在的分布电容会引起线间串扰。而且在接收端放大多路并行信号时容易产生信号歪斜，即由于各条线路传输延时之差而引起的接收器采样各个数据线的定时的显著不同。这些问题会随着传输
3、距离的增加而愈加严重。若采用串行通信就不存在上述问题。 通过上述比较，我们可以得出以下结论：每种通信方式各有其最适合的场合。对于短距离高速通信，采用并行通信可能是最佳方案。对于长距离中低速通信，串行通信常常是最好的手段。,7,8.1.2 串行通信的连接方式,在串行通信中，按在同一时刻数据流的方向，连接方式可分为三种：单工方式、半双工方式和全双工方式。如图8.2所示。 单工方式： 只允许数据在一个方向传送。在图8.2（a）中，A站只作发送器，B站只作接收器，数据流的方向只能从A到B。 半双工方式： 收、发双方均具备发送和接收的能力，但因为只有一根数据线，所以同一时刻仅能进行一个方向的数据传送。在
4、图8.2（b）中，A站、B站既可作为发送器也可,8,8.1.2 串行通信的连接方式,作为接收器。数据流的方向可以是从A到B，也可以是从B到A，但在同一时间只能进行一个方向的传送。 全双工方式： 有两根数据线，可支持数据流在两个方向同时传送。如图8.2（c）。,图8.2 串行通信的连接示意图,9,8.1.3 通信速率,比特率：每秒传送的二进制位数，单位是bit/s 波特率：每秒传送的进制位数，单位是bout/s 比特率与波特率的比较 两者的关系是比特率波特率log2N。由于计算机中的数据均采用二进制方式,因此比特率和波特率是一致的。例如，某通信系统,每秒传输120个字符，每个字符包含10位二进制
5、数，则波特率为120101200波特。 计算机通信中，常用波特率表示通信速率。国际上规定了标准波特率系列，最常用的标准值是110波特、300波特、600波特、1200波特、1800波特、2400波特、 4800波特、9600波特和19200波特。,10,8.1.3 通信速率,如串行打印机由于其机械装置速率较慢，通信速率常设定在110波特；点阵式打印机由于其内部有较大的数据缓冲器，通信速率常设定在2400波特；大多数CRT显示器的通信速率设定在9600波特。 在串行通信中，往往根据传送的波特率来确定串行接口的发送时钟和接收时钟的频率。它们和波特率之间有如下关系：时钟频率n 波特率。式中，n为波特
6、率因子或波特率系数，其值可以为1、16、32或64。若波特率因子为1（时钟频率等于波特率），则由于异步通信收、发双方各有自己的时钟信号，双方的时钟频率稍有偏差或不同相位就容易产生接收错误。因此，在异步通信中，往往采用较高频率的时钟信号，如波特率16倍频或64倍频。,11,8.1.4 信号的调制与解调,在计算机网络、远程变换和远程诊断等场合，一般都通过电话线来进行远程信息传输。但电话线的频带较窄，而计算机通信中所传送的数字信号的频带很宽，包含丰富的直流和低频成分，所以当数字信号直接通过电话线传输后会使信号发生严重的畸变。这时，就需要将低频的数字信号进行调制和解调。 调制：将低频的信号寄载到高频载
7、波上，具体而言，就是用低频信号改变高频载波（如正弦波）的某个参数（如幅值、频率、相位）。调制好的信号称为已调信号。 解调：将已调信号还原为低频的信号。显然，解调是调制的逆过程。 调制解调器MODEM： 在双工方式中，通信设备既要发送、又要接收，则同,12,8.1.4 信号的调制与解调,时需要调制和解调，所以常把两个电路做在一起，称为调制解调器MODEM。如图8.3所示为用MODEM实现远程通信的示意图。图中，在发送端，计算机输出的数字信号经MODEM调制为FSK信号，发送到传输线路上；接收端接收到该信号，经MODEN解调还原为数字信号，送入计算机内部处理。 图8.4是FSK信号产生的原理。FS
8、K（频移键控）是数字信号的一种常用调制方法，它可将数字信号的“1”和“0”调制成不同频率的模拟信号。两个不同频率的信号源分别由两个电子开关控制。电子开关的控制端输入“1”时，电子开关闭合；输入“0”时，电子开关断开。所以，当数字信号（数据）为“0”时，电子开关1断开，电子开关2闭合，经放大器后输出频率2的信号。当数字信号（数据）为“1”时，电子开关1闭合，电子开关2断开，经放大器后输出频率1的信号。,13,图8.3 用MODEM实现远程通信,14,图8.4 FSK调制原理图,15,8.2 串行通信的数据格式,为了使通信能顺利进行，数据发送方和接收方必须共同遵守基本的通信规程，这些规程在计算机网
9、络中被称为协议。协议一般包括以下内容： 波特率：双方约定以何种速率进行数据的发送和接收。 数据格式（帧格式）：双方约定采用何种数据格式，其中包含的控制信息的定义是什么。 帧同步：接收方如何得知一批数据的开始和结束。 位同步：接收方如何从数据流中正确采样到每位数据。 差错检验方式：接收方如何判断收到数据的正确性。 在串行通信中，目前有两大类协议：异步通信协议和同步通信协议。下面就着重介绍两种协议各自的数据格式和特点。,16,8.2.1 异步通信,数据的传送是以字符为一个独立的信息单位，字符出现在数据流中的时间可以是任意的。字符的格式如图8.5所示。一个字符又称为一帧，有四部分组成： 起始位 ：没
10、有数据传输时,传输线上发送连续的“1”，此时的“1”称为空闲位。一帧的数据以一位“0”开始，它告诉接收方一帧数据开始了。这一位“0”被称为起始位。 数据位 ：起始位后紧跟的是要传送的数据，可以是位，位数由双方约定。传送数据时，先发送低位，后发送高位。 校验位 ：在数据位后，可以根据需要选择是否设置校验位。若设置了校验位，还需选择是采用奇校验还是偶校验。目前异步串行通信一般采用奇偶校验法，其中奇校验法指在数据位和校验位中“1”的个数为奇数，偶校验法指在数据位和校验位中“1”的个数为偶数。 停止位 ：停止位紧跟在校验位或数据位（无奇偶校验）之后，是1位、1.5位或2位的高电平。停止位的出现表示该字
11、符的结束。,17,图8.5 异步串行通信的数据格式,18,8.2.1 异步通信,下面以接收时钟频率16波特率为例，说明字符的接收过程：传送开始后，接收设备在接收时钟的上升沿不断检测传输线。如果在一系列的“1”之后检测到一个“0”，紧接着又连续采样到8个“0”，则确定为一帧的起始位。此后就每隔16个时钟采样一次数据，移位接收数据位和奇偶校验位。当检测到停止位，就将接收到的有效字符装载到串口的接收缓冲器中。如图8.6所示。 可以看出，异步通信采用起始位作为同步信号。接收方在收到起始位后，只要在一个帧的传输时间内与发送方保持同步，就能够正确接收数据。即使收发双方的时钟略有偏差，只要这种偏差不产生积累
12、效应，问题不大。所以，在异步通信中，收发双方可以不用同一时钟，各有自己的时钟，只要用同一标称频率即可。,19,图8.6 采用16倍波特率时钟频率的字符接收过程,20,8.2.2 同步通信,同步通信不用起始位和停止位来标识字符的开始和结束，而是用一串特定的二进制序列，称为同步字符，去通知接收方串行数据第一位何时到达。紧随其后的是欲传送的n个字符（n的大小可由用户设定和改变），字符间不留空隙。最后是两个错误校验字符。 几种常用的同步串行传送格式如图8.7所示。对同步字符的检测和同步控制，在串行接口芯片内部进行，称为内同步。内同步又分为单同步（只有一个字节的同步字符）和双同步（有两个字节的同步字符）
13、，SDLC/HDLC是属于内同步的一种。而外同步是指对同步信号的检测在串行接口芯片的外部进行，当外部硬件电路检测到同步字符时，就给串行接口发来一个同步信号SYNC。当串行接口收到同步信号后，立即开始接收信息。,21,图8.7 同步串行数据格式,22,8.2.2 同步通信,同步通信中，在同步时钟信号的一个周期里，数据线上同步地发送一位数据。而且成千上万的数据是连续发送，中间没有空隙。这就要求接收方的时钟应与发送方的时钟完全同频同相，不能有一点误差。因此，在近距离传送时，如几百数千米，可以在传输线中增加一条时钟线，以确保收发双方使用同一时钟。在数公里以上的远距离通信中，则通过调制解调器从数据流中提
14、取同步信号，以得到与发送方完全同频同相的时钟。 总的来说，由于异步通信的每个字符都要加控制信息，因此数据传输效率不高，一般适用于数据量较小，传输率较低的场合。而在高速传送时，往往采用同步通信。,23,8.3 串行通信接口标准,在数据通信中，计算机通常被称为数据终端设备（DTE），而调制解调器则被称为数据通信设备（DCE）或数据装置。二者之间通过电缆连接。为了使通信接口设计标准化、通用化，目前通常采用各种总线标准，即国际正式公布或推荐的标准。只要采用同一接口标准，通信双方无需了解对方的内部结构即可进行软、硬件设计，为设计人员带来了极大地方便。 串行通信最常用的连接方式是RS-232C标准。这个标
15、准的确切名称是采用串行二进制数据交换的数据通信设备与数据终端设备之间的接口。RS-232C是美国电子工业协会（EIA）在1969年颁布的串行总线标准。它定义了串行传输的DTE和DCE之间的接口信息，如信号电平、信号名称及功能。下面一一介绍：,24,8.3.1 信号电平,RS-232C采用负逻辑，即EIA电平。它规定：传号“1”对应于电平325V；空号“0”对应于电平325V。在实际应用中，通常采用12V或15V作为EIA电平。 由于RS-232C早在TTL集成电路之前就已发展起来，因此它没有采用TTL逻辑电平。但计算机内的大多数I/O接口芯片采用TTL电平，TTL电平要求：“1”的电平大于2.
16、4V；“0”的电平小于0.4V。显然，两者之间电平不匹配，须加电平转换电路。常用的EIA/TTL电平转换芯片有MC1488、MC1489。MC1488能把TTL电平转化为EIA电平，MC1489能把EIA电平转化为TTL电平。,25,8.3.2 信号功能,RS-232C标准规定了22条控制信号线，但在实际应用中，并不一定需要用到所有的控制信号，如当计算机与外部设备不经过调制解调器直接通信时，常常只用到条引线。所以，可以采用9针或25针的D形接插件。如图8.8所示为25针和9针接插件。下面就介绍这些常用的控制信号定义： TxD：串行数据的发送端，输出。 RxD：串行数据的接收端，输入。 RTS：请求发送信号，输出。当RTS为高电平时，表明终端（DTE）要向MODEM或其他通信设备发送数据。 CTS：清除发送（允许发送）信号，输入。当MODEM或外设准备好接收来自终端（DTE）的数据时，使为高电平。,26,图8.8 25针和9针D型接插件,27,8.3.
