《微型计算机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 吕林涛 主编 梁莉 宋继红 副主编 第十章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型计算机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 吕林涛 主编 梁莉 宋继红 副主编 第十章（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本章内容提要: 串行接口概述 串行通信总线 串行通信的数据格式 串行接口基本功能和硬件支持 串行通信接口标准 可编程串行通信接口芯片8251A,10.1 串行接口概述,随着计算机网络的迅速发展，串行数据通信功能越来越受到关注和重视。这里所说的通信是指计算机与外界的信息交换。因此，通信既包括计算机与外部设备之间，也包括计算机和计算机之间的信息交换。由于串行通信所用的传输线少，并且可以借助现有的电话网进行信息的传送，因此，特别适合于远距离传送。对于那些与计算机相距不远的人机交互设备和串行存储的外部设备(磁盘等)，采用串行方式交换数据也很普通。在实时控制和管理方面，采用多台微处理机组成分级分布式控制
2、系统，其中各CPU之间的通信一般都是串行方式。所以，串行接口是微机应用系统中常用的接口。,串行通信是将数据的各个位一位一位地传送，通过单条1位宽的传输线按顺序分时传送，即通信双方一次传输一个二进制位。其示意图如图10.1所示。这根线既作数据线又作联络线，也就是说要在一根线上既传送数据信息，又传送联络控制信息，这就是串行传送的第一个特点。那么，如何来识别在一根线上串行传送的信息流中，哪一部分是联络信号，哪一部分是数据信号。为解决这个问题，就引出了串行通信的数据格式的约定。因此，串行传送的第二个特点是它的数据格式有固定的要求(即固定的数据格式)，分异步和同步数据格式，与此相应，就有异步通信和同步通
3、信两种方式。第三个特点是串行通信中对信号的逻辑定义与TTL不兼容，因此，需要进行逻辑关系和逻辑转换。第四个特点是串行传送信息的速率需要控制，要求双方约定通信传输的波特率。,10.2 串行通信总线,10.2.1串行通信的基本概念,在串行通信中，数据通常是在两个站(如终端和微机)之间进行传送，按照数据流的方向可分成3种基本的传送方式：全双工、半双工和单工。但单工目前很少采用。 1.单工方式(simple) 这种方式只允许数据按照一个固定的方向传送，如图10.2(a)中所示。A方只能发送，叫发送器；B方只能接收，叫接收器。,2.半双工方式(half duplex) 如图10.2(b)中所示，半双工方
4、式下数据能从A站传送到B站，也能从B站传送到A站，但是不能同时在两个方向上传送，每次只能由一个站发送、另一个站接收。通信双方可以通过软件控制的电子开关进行方向的切换，轮流地进行发送和接收。一般不工作时，A和B方均处于接收方式，以便随时响应对方的呼叫。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。,3.全双工方式(full duplex) 全双工方式下允许通信双方同时发送和接收，如图10.2(c)所示。全双工方式相当于把两个方向相反的单工方
5、式组合在一起，需要两条传输线。全双工方式无须进行方向的切换，故不会像半双工方式产生切换操作造成延迟。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)十分有利。 在计算机串行通信中主要使用半双工和全双工方式。一些简单的外部设备如键盘和打印机等与主机的通信大都采用半双工方式；全双工方式主要应用于实时性较强的交互式应用中，如计算机之间的通信等。,10.2.2 信号的调制与解调,计算机的通信是要求传送数字信号，而在进行远程数据通信时，通信线路往往是借用现存的公用电话网，但是，电话网是为传输3003400Hz间的音频模拟信号设计的，这对二进制数据的传输不适合。如果让数字信号直接在传输线上传送
6、，高次谐波的衰减就会很厉害，从而使信号到了接收端后将发生严重畸变和失真。即使用性能更高的通信电缆(如粗、细75同轴电缆等)传送，这种现象也不能避免，只不过传输距离可以远一些而已。所以，在发送时需将二进制信号调制成相应的音频信号，以适合在电话网上的传输。在接收时，需要对音频信号解调还原成数字信号。,采用调制器(modulator)把数字信号转换为模拟信号，送到通信链路上去，而用解调器(demodulator)再把从通信链路上收到的模拟信号转换数字信号。大多数情况下，通信是双向的，调制器和解调器全在一个装置中，这就是调制解调器Modem，如图10.3所示。可见调制器和解调器是在利用电话网进行远程距
7、离数据通信进所需的设备，因此把它叫做数据通信设备DCE或数传机(dataset)。,调制解调器的类型很多，根据调制技术，Modem分为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)3种。幅移键控调制是以正弦波在两种幅值之间切换表示数字1和0；频移键控调制是以正弦波在两种频率之间切换表示数字1和0；相移键控调制是以正弦波在两种位相之间切换表示数字1和0，如图10.4所示。 根据传输速率，Modem可以分为低速、中速和高速。低速Modem一般用于传输波特率在2000b/s以下的异步通信；传输波特率达到9600b/s的同步通信，则要采用中速甚至高速的Modem。 计算机与调制解调器之间通
8、过标准串行通信接口连接，通常使用的接口是RS232接口。,10.2.3 差错控制,在串行通信中，由于系统本身的硬件和软件故障，或者外界电磁干扰等原因，数据在传输中发生错误总是难免的。作为一个实用的通信系统，关键是减少传输出错的可能性，以及一旦出错后能够及时发现和纠正错误。 衡量通信系统性能的一个重要指标是误码率。所谓误码率，是指数据经传输后发生错误的位数与总传输位数之比。在计算机通信中，一般要求误码率达到10-6数量级。误码率与通信线路质量、干扰大小及波特率等因素有关。为减小误码率，一方面要从硬件和软件两方面对通信系统进行可靠性设计，以达到尽可能少出错的目的；另一方面还要对传输的信息采用一定的
9、检错和纠错编码技术，以便发现、纠正传输过程可能出现的差错。通常将这两方面统称为差错控制技术。,关于系统可靠性设计，涉及面较宽，问题较复杂，是个专门的研究领域。这里只对串行通信中经常遇到的检错和纠错编码的概念做个简单介绍。我们把如何发现传输中的错误叫检错；发现错误之后，如何消除错误，叫纠错。实现检错和纠错的编码方法很多，如奇偶校验、循环冗余码(cyclic redundancy check，CRC)校验、海明码校验和方阵码校验等。 奇偶校验方法主要对一个字符的传送过程进行校验。在发送时，在每一个字符的最高位之后(发送总是最低有效位D0位先发送)都附加一个奇偶校验，这个校验位本身有可能是“1”或“
10、0”，加上这个校验位，使所发送的任何字符中的“1”的个数始终为奇数奇校验，为偶数偶校验。接收时，检查所接收的字符连同这个奇偶校验位，看其为“1”的个数是否符合规定，若不符合规定就置出错标志，供CPU查询及处理。奇偶校验位的产生和校验，可用软件或硬件的方法实现。,方阵码检错技术是奇偶校验与“检验和”的综合，例如，7单位编码的字符后附1位奇偶位，以使整个字节的“1”的个数为偶数或者为奇数。若干个字符组成一个数据块，列成方阵，再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。图10.5给出一个方阵检验字符的生成示例。在接收时，
11、数据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。 在几种校验方法中，奇偶校验最简单，CRC校验的自动纠错能力比较强，它们又都适合于逐位出现的信号的运算，因此在串行通信中应用最多。在基本通信规程中一般采用奇偶校验或方阵码检错(奇偶校验与校验和综合的技术)，以反馈重发方式纠错。在高级通信控制规程中一般采用循环冗余码(CRC)检错，以自动纠错方法来纠错。,10.2.4波特率发送与接收时钟,1.波特率 并行通信中，传输速率是以每秒传送多少字节(B/s)来表示。而串行通信中，传输速率是用波特率来表示。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/
12、秒(b/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。最常用的标准波特率是110、300、600、1200、4800、9600和19200b/s。通信线上所传输的字符数据(代码)是逐位传送的，1个字符由若干位组成。因此每秒钟所传输的字符数(字符速率)和波特率是两种概念。在串行通信中，所说的传输速率是指波特率，而不是指字符速率，它们两者的关系是：假如在异步串行通信中，传送一个字符，包括12位(其中有1个起始位，8个数据位，1个偶校验位，2个停止位)，其传输速率是1200b/s，那么，每秒所能传送的字符数是1200/(1812)100个。,2.发
13、送/接收时钟 在串行传输过程中，二进制数据序列是以数字信号波形出现的，如何将这些数字波形定时发送出去或接收进来，以及如何对发/收双方之间的数据传输进行同步控制的问题引出了发送/接收时钟的应用。 在发送数据时，发送器在发送时钟(下降沿)作用下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的串行数据，按位串行移入接收移位寄存器。可见发送/收接时钟是对数字波形的每一位进行移位操作，因此，这个意义上来讲，发送/接收时钟又可叫做移位时钟脉。另外，从数据传输过程中，接收方进行同步检验的角度来看，接收时钟成为收方保证正确接收数据的重要工具。为此，接收器采
14、用比传送波特率更高频率的时钟来提高定位采样的分辨率能力和抗干扰能力。图10.6示出了一个频率为16倍传送波特率的接收时钟的作用。从图10.6中可看出，利用这种经16倍频于传送波特率的接收时钟对串行数据流进行检测和定位采样，接收器能在一个位周期内采样16次。如果没有这种倍频关系，定位采样频率和传送波特率相同，则在一个位周期中，只能采样一次，分辨率会差。比如，为了检测起始位下降沿的出现，在起始位的前夕采样一次之后，下次采样要到起始位结束前夕才进行。而假若在这个位周期期间，因某种原因恰恰使接收端时钟往后偏移了一点点，就会错过起始位而造成整个后面各位检测和识别的错误。,定位采样时钟采用16倍频(当然也
15、可以采用其他倍的频率，如64等)，提高了定位采样的分辨率。采样，检测过程如下：在停止位或空闲位的后面，接收器用每个接收时钟的上升沿对输入数据流进行采样，通过检测是否有8个连续的低电平，来确定它是否为起始位，如果都是低电平，则确认是起始位，且对应的是起始位中心，然后以此为时间基准，每隔16个时钟脉冲采样一次，定位检测1个数据位。如果不是8个连续低电平(即使8个采样值中有1个非“0”)，则认为这1位是干扰信号，把它删除。可见，采用16倍频措施后，不仅有利于实现收发同步，而且有利于抗干扰和提高异步串行通信的可靠性。,3.波特因子(factor) 所谓波特因子是发送/接收1位数据(1个数据位)所需要的
16、时钟个数。其单位是个/位。若传送1位数据需要16个时钟，则波特因子为16个/位。因此，在实际应用中，可根据所要求的波特率及所选择的波特因子来确定发送接收时钟的频率。发收时钟脉冲与波特率之间的关系，可用公式表示为 Txc =Baudfactor 例如：要求传输速率为1200Baud。 当选择factor1个位/时，发/收时钟频率(1200位/秒)(1个/位)1.2kHz 当选择factor16个位/时，发/收时钟频率(1200位/秒)(16个/位)19.2kHz 当选择factor64个位/时，发/收时钟频率(1200位/秒)(64个/位)76.8kHz 一般factor取1、16或64。对于异步通信，常取factor=16；对于同步通信，则取factor=1。从关系式可以看出，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 我们知道，由于线路分布电容的影响，串行接口或终端直接传送串行数据的最大距离(当然，波形要不发生畸变)与传输速
