《《微型计算机通信与接口技术（第二版）》-刘兵-电子教案 第1章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《微型计算机通信与接口技术（第二版）》-刘兵-电子教案 第1章（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材 微型计算机通信与接口技术 （第二版） 刘兵 等编著 中国水利水电出版社,第一章 数据通信基础,学习目标 通过对本章的学习，读者应该掌握以下主要内容： 数据通信的基本概念、特点及实现方式 数据通信系统的性能指标 常用协议的数据格式及标准 计算机接口的基本概念,本章目录,1.1 数据通信基本概念 1.2 数据通信的差错控制 1.3 常见数据与网络通信协议的数据格 1.4 接口基础知识,1.1 数据通信基本概念,1.1.1 数据通信概述 1. 数据 数据是定义为有意义的实体，是表征事物的形式，例如文字、声音和图像等。数据可分为模拟数据和数字数据两类。 2. 信号
2、 信号是数据的电磁编码或电子编码。信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。,3. 信道,信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。,4. 通信线路的通信方式,根据数据信息在传输线上的传送方向，数据通信方式有三种：单工方式、半双工方式和全双工方式,4. 通信线路的通信方式,（1）单工方式 在这种方式中，只允许数据始终按一个固定的方向传送 （2）半双工方式 在半双工方式中，数据信息可以双向传送，但在同一时刻一个信道只允许单方向传送,4. 通信线路的通信方式,（3）全双工方式 同一时间可以双向进行数据传送,早期的通信系统都是模拟系统，当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率
3、的一半时，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹（Hz）。 在数字通信系统中“带宽”的含义完全不同于模拟系统，它通常是指数字系统中数据的传输速率，其表示单位为比特/秒或波特/秒（Baud/S）。,. 信道带宽,1.1.2 数据通信系统的组成,数据通信系统的组成有以下5个部分组成：信源、变换器、传输线路、反变换器、信宿,1.1.3 数据通信系统的质量标准,1. 传输速率 数据传输速率 数据传输速率是单位时间传送的数据量，数据量的单位可以是比特、字符码等，时间单位可以是秒、分等，通常用比特/秒为单位。, 调制速率 调制是将基带数字脉冲信号变换为适合在线路上传输的某一频率载波
4、信号的过程。 RB = 1/T （波特） (1-1), 数据信号速率 数据信号速率表示单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（b/s），是用来表示传输速率常用的单位，简称比特率。在串行通信中数据信号速率定义为： Rb= RBlog2M = 1/Tlog2M （比特/秒） Rb为波特率，M是调制信号波形的状态数，T为单位调制信号波形的时间长度。,2. 误码率 在接收端收到数据的差错程度是数据通信质量最重要的指标，一般用误码率Pe表示，如公式(1-3)所示。,3. 可靠性 可靠性通常用来表示系统在给定时间间隔内能正常工作的概率。,4. 功率利用率和频带利用率, 功率利用率 功率利用率以比特差错
5、小于某一规定值时所要求的最低归一化信噪比（每比特的信号能量和噪声单边功率谱密度的比值）衡量。所要求的信噪比越低，则功率利用率越高。, 频带利用率 频带利用率是描述数据传输速率和带宽之间关系的一个指标，也是衡量数据通信系统有效性的指标，是单位频带内所能传输的信息速率,5. 标准化 标准化程度的高低是衡量通信系统好坏的重要指标。 6. 通信建立时间 数据通信系统一般都要求在尽可能短的时间内建立通信 7. 其它指标 其它指标还有经济性、操作简单、维修方便、能自动检测、体积小和重量轻等，在设计传输系统时也是要注意的。当然，这些指标也是相对的，要根据具体情况以及周围环境和服务对象等具体确定,1.1.4
6、数据通信系统的传输编码,1. 数字信号模拟化时的编码方式 （1）振幅调制（调幅） （2）频率调制（调频） （3）相位调制（调相）,2. 数字数据编码,（1）不归零编码NRZ （2）曼彻斯特编码 （3）差分曼彻斯特编码,1.1.5数据通信系统的传输速率,1. 奈奎斯特公式,奈奎斯特公式给出了无热噪声（时信道带宽对最大数据速率的限制 log2 b/s （1-6） 其中：H是信道的带宽（以Hz为单位）；L表示某给定时刻数字信号可能取的离散值的个数；C是该信道最大的数据速率。,例 无热噪声的某信道带宽为 4 kHz，任何时刻数字信号可取0、1、2和3四种电平之一，则最大数据速率为多少？,2. 香农公式
7、,香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率 : C = W log2(1+S/N) b/s 其中：W 为信道的带宽（以Hz为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率；SN为信噪比,1.2 数据通信的差错控制,1.2.1 差错类型 1纠错码 纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。 常见的纠错编码有：海明纠错码、正反纠错码等。,1.2 数据通信的差错控制,2检错码 检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过
8、这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确，如果存在错误，接收端不是纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。,1.2.2 奇偶校验码,在一个二进制数据字上加上一位，以便检测差错。 在偶校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，让该字符和校验附加位一起使“1”的个数为偶数 例如，一个字符的7位代码为1101011，有5个“1”（奇数），若奇校验，则校验位为0，即整个字符为： 0 1 1 0 1 0 1 0 若为偶校验，则校验应为1，即整个字符为： 1 1 1 0 1 0 1 1。,1.2.3循环冗余校验,计算校
9、验和的算法如下： 设生成的多项式G（x）为n阶，在帧的末尾附加n个零，使帧为m+n位，则相应的多项式是2n M（x）。 按模2除法，用对应于G（x）的位串去除对应于2n M（x）的位串，得到的余数就是帧校验序列（FCS）。 按模2减法，从对应于2n M（x）的位串中减去帧校验序列（FCS）。结果就是要传送带校验和的帧，叫多项式T（x）。,1.2.4 校验和,所谓校验和是把一个字节的8位视为整数，然后把该8位字节构成的序列求和，所计算出的整数值就是校验码。 1. 二进制反码求和 二进制反码求和的规则是从低位到高位逐列进行计算： 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 +
10、1 = 0,2校验和生成器,1.2.5 海明码,海明指出可以在数据代码上添加若干冗余位组成码字，并称一个码字变成另一个码字时必须改变（“1”变为“0”或者“0”变“1”）的最小位数为码字之间的海明距离。例如7位ASCII码增加一位奇偶校验位成为8位的码字，这128个8位的码字之间的海明距离是2。,1. 定位冗余比特 如果传输的数据位是m位，加了r位冗余位，那么总共传输的数据单元是m+r位。 为了能够检测出这m+r位数据单元在传输到目的端后是否出错，并能够指明是在哪一位出错，那么r至少应该能够代表m+r+1种状态。r比特能够代表2r不同状态。 2r = m + r + 1,r的值可以通过插入m（
11、要传输的数据单元的原始长度）的值来得到。例如m=7（如同7位ASCII码），则满足上式的最小r值为4，因为： 24 = 7 + 4 + 1,r1：第1（0001），3（0011），5（0101），7（0111），9（1001），11（1011）位 r2：第2（0010），3（0011），6（0110），7（0111），10（1010），11（1011）位 r4：第4（0100），5（0101），6（0110），7（0111）位 r8：第8（1000），9（1001），10（1010），11（1011）位,2计算冗余比特 首先将原始字符按照图1-9填入11比特单元中的对应位置；然后对不同的比特组
12、合计算偶校验，公式如下： r1 = d3 d5 d7 d9 d11 r2 = d3 d6 d7 d10 d11 r4 = d5 d6 d7 r8 = d9 d10 d11,（2）对不同的比特组合计算偶校验，方法如下： r1 = d3 d5 d7 d9 d11 = 1 0 0 1 1 1 = 0 r2 = d3 d6 d7 d10 d11 = 1 0 1 0 1 = 1 r4 = d5 d6 d7 = 0 0 1 = 1 r8 = d9 d10 d11 = 1 0 1 = 0,填入到图1-10的相应位，得到完整的海明冗余比特编码，如图1-11所示。,例如发送的11位数据是10101001110中
13、第6位由0变成了1，即接收到的数据是10101101110，接收端按如下公式计算新的校验值： r1 = d1 d3 d5 d7 d9 d11 = 0 1 0 0 1 1 1 = 0 r2 = d2 d3 d6 d7 d10 d11 = 1 1 1 1 0 1 = 1 r4 = d4 d5 d6 d7 = 1 0 1 1 = 1 r8 = d8 d9 d10 d11 = 0 1 0 1 = 0 新计算出的校验值R=6（0110，按r8，r4，r2，r1的顺序）不等于0，说明第6个比特的位置出错，把接收到的第6个比特的值取反，即得到正确的发送数据：10101001110。,1.3 常见数据与网络通
14、信协议的数据格式 1.3.1 以太网数据帧 1以太网概述 1980年9月，Dec公司、Intel公司和施乐公司联合提出了10Mbps的以太网第一个版本的DIX V1（DIX是这三个公司名称的缩写）。1982年发布了第二版DIX V2，这个版本成为世界第一个局域网产品规约。,2. DIX Ethernet V2标准,（1）前同步码 （2）目的地址 （3）源地址 （4）类型字段 （5）数据字段 （6）帧校验序列字段,3. IEEE的802.3标准,（1）第4个字段是长度/类型字段。 （2）在IEEE 802.3的数据帧格式中，第5个字段是数据字段，在该字段中包括了LLC子层的LLC帧。,4. 以太
15、网的最小帧长度,以太网的最小帧长度是64字节，其中目的地址占6字节、源地址占6字节、数据/类型字段占2字节、数据字段最少要46字节、FCS校验字段4字节。 规定最小帧长度的目的是如果接收端收到小于64字节的数据帧就认为该帧是一个无效帧。,数据经过模拟传输系统会出现差错,以太网的工作原理是一边发送数据的同时，一边检测是否有冲突产生，因此要求在数据发送完之前，必须要能检测出冲突产生，则得到公式： 发送时延 2 往返时间 而发送时延要发送数据块长度（）发送数据率（带宽），往返时延传输的距离数据的传输速度，代入上式可得到一个最小帧长。最小帧长可以保证在数据帧没有发送完毕之前，如果产生冲突，则在同一个网段的任意一台主机都能检测到冲突的产生。,802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧： （1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致； （2）帧的长度不是整数个字节； （3）用收到的帧检验序列FCS校验有差错； （4）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46 1500字节之间。,1.3.2 IP数据包,IP地址的编址方法共经过了三个历史阶段： （1）分类的IP地址； （2）子网的划分； （3）构成超网。,2. IP地址的分类,表1-2 IP地址的使用范围,（4）特殊的IP地址。, 如果网络ID为127，主机地址任意，这种地址是用来做循环测试用的，不可用作其他用途。
