1、第6章 串行接口和串行通信8.1串行通信的基本概念串行接口內(nèi)部有4個(gè)主要寄存器，控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出寄存器控制寄存器容納CPU送來的各種控制信息，決定接口的工作方式。狀態(tài)寄存器中的各狀態(tài)位，指出當(dāng)前傳輸狀態(tài)或錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)輸入寄存器總是和串入并出寄存器相連，收完一個(gè)字符打入輸入寄存器。兩個(gè)地址加上讀寫信號(hào)就可區(qū)分這4個(gè)寄存器（兩只讀、兩只寫）。 1. 全雙工方式和半雙工方式全雙工數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的兩個(gè)傳輸方向采用不同的通路，可同時(shí)收發(fā)。半雙工輸入過程和輸出過程采用同一通路，收發(fā)交替進(jìn)行。 圖8.1 單工、半雙工和全雙工方式 圖8.1 單工、半雙工和全雙工方式 2.信號(hào)調(diào)制與解調(diào) 遠(yuǎn)距

2、離通信時(shí)采用電話線路，數(shù)字信號(hào)通過電話線路發(fā)生畸變發(fā)送端：數(shù)字 模擬(調(diào)制)接收端：模擬 數(shù)字(解調(diào))FSK(頻移鍵控)是常用方法，“1”和“0”調(diào)制成不同頻率的模擬信號(hào)。 3.同步方式和異步方式同步通信時(shí)，將許多字符組成一個(gè)信息組（信息幀）同步字符開頭，不允許有間隙效率高，但要求時(shí)鐘頻率相同。異步通信時(shí)，兩字符間間隔任意，故每個(gè)字符前后都需要分隔符，雙方時(shí)鐘相近 4.波特率:.每秒傳輸多少位2進(jìn)制數(shù).5.波特率因子: 每位2進(jìn)制發(fā)送時(shí)鐘周期數(shù)圖8.4 標(biāo)準(zhǔn)的異步通訊數(shù)據(jù)格式 1個(gè)字符開始傳輸前，數(shù)據(jù)線必須為邏輯“1”標(biāo)識(shí)態(tài)?！?”為起始位。58位信息位。可選的奇偶校驗(yàn)位。1，1.5，或2位停

3、止位。如接著傳第2個(gè)字符，又是起始位，否則為標(biāo)識(shí)態(tài)“1” 同一系統(tǒng)中，上述位數(shù)應(yīng)是固定的。對(duì)8251A控制寄存器編程設(shè)置這些參數(shù)發(fā)送時(shí)鐘：發(fā)送端用時(shí)鐘來決定每1位對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度接收時(shí)鐘：接收端也要用一個(gè)時(shí)鐘來測(cè)定每一位的時(shí)間長(zhǎng)度。波特率因子這兩種時(shí)鐘的頻率可以為位傳輸率的11664倍 大多數(shù)串行接口可以檢測(cè)三種錯(cuò)誤：奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、覆蓋錯(cuò)、信息幀格式錯(cuò)誤通用異步收發(fā)器(UART-universal asynchronous receiver & transmitter)：能實(shí)現(xiàn)串并并串轉(zhuǎn)換，并能檢測(cè)三類錯(cuò)誤的部件。同步傳輸過程中，一個(gè)字符也可58位，同一過程應(yīng)不變。n位一時(shí)間片為一個(gè)字符。整個(gè)系

4、統(tǒng)由一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘控制兩端采樣。同步傳輸時(shí)，一個(gè)信息幀包含多個(gè)字符，每幀都用同步字符開頭。 8.2有關(guān)串行通信的物理標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)通信，機(jī)機(jī)通信，與電話等其他通信設(shè)備互聯(lián)，建立了幾個(gè)一致的概念和標(biāo)準(zhǔn)。3個(gè)方面：傳輸率、電特性、機(jī)械特性(信號(hào)名稱.接口標(biāo)準(zhǔn))。 1. 傳輸率每秒傳輸多少位2進(jìn)制數(shù)，也叫波特率。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的波特率系列：110. 300. 600. 1200. 1800. 2400. 4800. 9600. 19,200.大多數(shù)接口的收發(fā)波特率可編程分別設(shè)定。例子：1200波特率下同步異步傳輸字符數(shù)比較。 2. RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)。信號(hào)電平：515V規(guī)定為“1”，515V為“0”。機(jī)械特性

5、：25芯扁平插座?？刂菩盘?hào)的定義 見表8.9 RS-232-C的信號(hào)定義。 8.2可編程串行通訊接口8251A8.2.1 8251A的基本性能8251A是可編程的串行通信接口,可以管理信號(hào)變化范圍很大的串行數(shù)據(jù)通信,基本性能如下: 通過編程,可以工作在同步方式,也可以工作在異步方式,同步時(shí)波特率0-64K,異步時(shí)0-19.2K.同步方式時(shí),數(shù)據(jù)位58位, 內(nèi)部自動(dòng)檢測(cè)同步字符實(shí)現(xiàn)同步,奇偶校驗(yàn)可選. 異步方式時(shí),數(shù)據(jù)位58位,自動(dòng)增加1位啟動(dòng)位,按程序增加停止位1 1.5 2注意:8251A的接口電平和EIA RS-232-C所要求的電平是不同的.要驅(qū)動(dòng)電路. 5.3.2 8251A的基本工作

6、原理1. 8251A的編程結(jié)構(gòu)圖8.6 是8251A的編程結(jié)構(gòu)和外部連接 數(shù)據(jù)輸入緩沖寄存器和數(shù)據(jù)輸出緩沖寄存器使用同一個(gè)端口地址,不會(huì)混淆.接收移位寄存器將到達(dá)RxD的串行數(shù)據(jù)接收之后進(jìn)行移位，8位并行數(shù)據(jù)進(jìn)輸入緩沖寄存器，通過數(shù)據(jù)總線傳到CPU輸入過程。輸出反之?？刂萍拇嫫饔脕砜刂?251A的工作，內(nèi)容由程序設(shè)定。狀態(tài)寄存器則在8251A的工作過程中為執(zhí)行程序提供一定的狀態(tài)信息。模式寄存器的內(nèi)容決定了8251A同步還是異步模式、字符格式(程序設(shè)置)8251A的2個(gè)同步字符寄存器用來容納同步方式中所用的同步字符。 2. 8251A的功能結(jié)構(gòu)工作原理上看結(jié)構(gòu)圖8.7 8251A的內(nèi)部工作原理圖

7、 8251A由7個(gè)模塊組成，分別為接收緩沖器、接收控制電路、發(fā)送緩沖器、發(fā)送控制電路、數(shù)據(jù)總線緩沖器、讀寫控制 邏輯電路、調(diào)制解調(diào)控制電路接收緩沖器：從RxD引腿接收串行數(shù)據(jù)，串并轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于接收移位寄存器接收控制電路：配合接收緩沖器，管理有關(guān)接收功能： 。異步方式下,芯片復(fù)位后,檢測(cè)輸入信號(hào)中的有效”1”,一旦找到0,即啟動(dòng)位.。消除假啟動(dòng)干擾。對(duì)收到的信息進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并由校驗(yàn)結(jié)果建立相應(yīng)狀態(tài)位。檢測(cè)停止位，并由結(jié)果建立狀態(tài)位。 發(fā)送緩沖器把CPU來的信息并串轉(zhuǎn)換加上控制信息,從TxD發(fā)出(發(fā)送移位)發(fā)送控制電路：配合發(fā)送緩沖器工作，控制管理串行發(fā)送功能，如下： 異步方式下，為數(shù)據(jù)加上起始

8、位、校驗(yàn)位、停止位同步方式下，插入同步字符，在數(shù)據(jù)中插入校驗(yàn)位。 數(shù)據(jù)總線緩沖器把8251A和系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，傳送數(shù)據(jù)、狀態(tài)、命令信息讀寫控制邏輯配合數(shù)據(jù)總線緩沖器工作，如下： 接收寫信號(hào)WR，并將來自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)和控制字寫入8251A接收讀信號(hào)RD，并將數(shù)據(jù)或狀態(tài)從8251A送往數(shù)據(jù)總線 接收控制數(shù)據(jù)信號(hào)CD與讀寫信號(hào)組合，區(qū)分?jǐn)?shù)字、狀態(tài)命令 接收時(shí)鐘信號(hào)RxC，完成8251A的內(nèi)部定時(shí) 接收復(fù)位信號(hào)RESET，使8251A處于空閑狀態(tài)調(diào)制解調(diào)電路用來使8251A與調(diào)制解調(diào)器的連接。 1. 8251A的發(fā)送和接收異步接收方式8251A將RxD 線上檢測(cè)到的低電平作為起始位，啟動(dòng)接收控制電

9、路中的內(nèi)部計(jì)數(shù)器(波特率16時(shí)記到8)，非干擾則裝配字符，去掉附加位，變成并行，同時(shí)發(fā)出RxRDY信號(hào)到CPU。 異步發(fā)送方式當(dāng)程序置TxEN和CTS有效后，開始發(fā)送過程。例、異步傳輸過程：設(shè)每個(gè)字符對(duì)應(yīng)1個(gè)起始位、7個(gè)信息位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位，如果波特率為1 200bps，那么，每秒鐘能傳輸?shù)淖畲笞址麛?shù)為1 200/10120個(gè)。 例二.同步傳輸：用1 200bps的波特率工作，用4個(gè)同步字符作為信息幀頭部，但不用奇偶校驗(yàn)，那么，傳輸100個(gè)字符所用的時(shí)間為7(100+4)/1 2000.606 7s，這就是說，每秒鐘能傳輸?shù)淖址麛?shù)可達(dá)到100/0.606 7165個(gè)?？梢?，在同樣

10、的傳輸率下，同步傳輸時(shí)實(shí)際字符傳輸率要比異步傳輸時(shí)高。 同步接收方式8251A首先搜索同步(雙)字符，收到后SYNDET升為高電平，同步已實(shí)現(xiàn)。在外同步方式下，和上面不同。實(shí)現(xiàn)同步之后，接收器和發(fā)送器之間開始數(shù)據(jù)的同步傳輸。同步發(fā)送方式也要在程序置TxEN和CTS有效后，才開始發(fā)送。如CPU來不及則發(fā)送同步字符 8251A的對(duì)外信號(hào)分為兩組:8251A對(duì)CPU和8251A對(duì)外設(shè)(或調(diào)制解調(diào)器)1. 8251A和CPU之間的連接信號(hào)分為4類：片選信號(hào)CS：CPU的地址信號(hào)譯碼后得到。CS為高電平時(shí)8251數(shù)據(jù)線高阻狀態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)8251有8根數(shù)據(jù)線D7-D0與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連,不只傳輸數(shù)據(jù). 讀寫

11、控制信號(hào)RD低電平有效,通知8251,CPU當(dāng)前正在從8251讀取數(shù)據(jù)或狀態(tài).WR低電平有效,通知8251,CPU當(dāng)前正在往8251寫入數(shù)據(jù)或命令信息.C/D控制數(shù)據(jù)信號(hào),CPU送往8251,區(qū)分正在讀寫數(shù)據(jù)還是命令狀態(tài) 收發(fā)聯(lián)絡(luò)信號(hào)TxRDY：發(fā)送準(zhǔn)備好告訴CPU，8251已準(zhǔn)備好發(fā)送一個(gè)字符，此時(shí)CTS、TxRDY有效，且發(fā)送緩沖器為空，TxRDY可作中斷請(qǐng)求或供查詢。TxE：發(fā)送器空信號(hào)，當(dāng)8251從CPU得到一個(gè)字符時(shí)變低，送出后變高。RxRDY：接收器準(zhǔn)備好，表示8251已從外設(shè)或調(diào)制解調(diào)器收到字符供CPUSYNDET：同步檢測(cè)信號(hào)只用于同步方式,內(nèi)同步時(shí)輸出,外同步時(shí)輸入. 1.

12、8251A和外設(shè)之間的連接信號(hào)(也分兩類)收發(fā)聯(lián)絡(luò)信號(hào)DTR：數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好data terminal ready由8251送往外設(shè),通知外設(shè)CPU就緒DSR：數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好data service ready 外設(shè)送給8251，通知CPU外設(shè)就緒RTS：請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)require transmit signal通過編程設(shè)定，告知CPU就緒CTS：清除請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)clear to send是對(duì)RTS的響應(yīng)信號(hào),外設(shè)送8251,可開始發(fā)送以上4個(gè)信號(hào)是CPU和外設(shè)聯(lián)絡(luò)用的,除CTS低電平外,均非必須. 數(shù)據(jù)信號(hào)TxD：發(fā)送器數(shù)據(jù)信號(hào)端,CPU送往8251的并行數(shù)據(jù)串行后由此送往外設(shè).RxD：接收

13、器數(shù)據(jù)信號(hào)端,接收外設(shè)來的串行數(shù)據(jù),進(jìn)8251后變成并行.8251除與CPU及外設(shè)的連接信號(hào)外,還有電源地3個(gè)時(shí)鐘端. TxC ：發(fā)送時(shí)鐘同步時(shí)等于波特率，異步時(shí)為其1，16，64倍，編程指定RxC：接收時(shí)鐘同上。TxC 和RxC往往連在一起，CLK為另一個(gè)較高頻率外部時(shí)鐘同步方式下TxC 和RxC即收發(fā)一個(gè)字符的時(shí)間等于時(shí)鐘周期 8.3.4 8251A的編程1. 模式寄存器的格式當(dāng)模式寄存器最低兩位為0時(shí),8251便工作在同步模式,否則異步模式.在同步模式中,接收和發(fā)送的波特率(移位寄存器的移位率)分別和TxC和RxC引腿上的輸入時(shí)鐘的頻率相等，異步時(shí)波特率因子用最低兩位確定。 時(shí)鐘頻率波特

14、率因子波特率 SYNDET是同步檢測(cè)信號(hào)，內(nèi)同步時(shí)輸出，外同步時(shí)是輸入信號(hào)。 2. 控制寄存器的格式(命令控制字) 圖8.11 是8251A控制寄存器的格式 1. 狀態(tài)寄存器的格式 圖8.12 是8251 A狀態(tài)寄存器的格式 TxRDY1的條件：數(shù)據(jù)緩沖器空CTSTxEN=1CPU往8251輸出一字符后，TxRDY0狀態(tài)位RxRDY1 指出接口中已收到一個(gè)字符，欲送CPU。兩信號(hào)及引腿均可供編程利用。狀態(tài)寄存器的第2位TxE1時(shí)，指出當(dāng)前移位寄存器正等待輸出緩沖寄存器送一個(gè)字符過來。同步模式下TxE1時(shí)，沒事干就發(fā)同步字符。 狀態(tài)寄存器的3、4、5位分別作為奇偶、超越、幀格式錯(cuò)誤標(biāo)志。 1.

15、關(guān)于8位接口芯片和16位數(shù)據(jù)總線的連接問題大多數(shù)8位接口芯片有幾個(gè)端口地址，有奇地址也有偶地址。偶地址對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)端口，及地址對(duì)應(yīng)于命令、狀態(tài)、模式、同步寄存器等。特別地8086CPU低8位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)總是寫入偶地址單元或端口。高8位數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)于奇地址單元或端口。處理方法是將A1線作為端口最低位地址線，則CPU側(cè)發(fā)兩個(gè)連續(xù)的偶地址到接口就變成了連續(xù)的奇偶端口地址。所以傳輸信息總是出現(xiàn)在低8位數(shù)據(jù)線上，順利連接。習(xí)慣上仍把兩個(gè)連續(xù)的偶地址稱為奇地址、偶地址。 5. 8251A的初始化這么多寄存器只有兩個(gè)地址,編程時(shí)到底寫入那一個(gè)呢?8251初始化編程必須遵守以下3個(gè)約定: 芯片復(fù)位后,第1次用奇

16、地址寫入的作為模式字進(jìn)入模式寄存器.如模式中規(guī)定為同步模式,接著往奇地址端口寫入的1或2個(gè)為同步字符 這之后只要不是復(fù)位命令,往奇地址端口寫入的為控制字送控制寄存器,而用偶地址寫入的送數(shù)據(jù)輸出緩沖寄存器.圖8.13 是8251A的初始化流程圖 如為異步模式設(shè)置模式字后接著便設(shè)置控制字. 8.3.5 串行接口標(biāo)準(zhǔn)一、 串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS232C1969年美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，最初為連接計(jì)算機(jī)主機(jī)和CRT終端而設(shè)計(jì)。定義了數(shù)據(jù)終端（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間串行通信的接口信息15m.1.信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)RS-232C采用負(fù)電平邏輯，TTL電平不兼容。 “1”515V ;

17、“0”515V轉(zhuǎn)換TTLRS-232C，用MC1488轉(zhuǎn)換RS-232C TTL，用MC1489 2.RS-232C的連接方式a. 簡(jiǎn)單的RS-232C連接2號(hào)引腳發(fā)送數(shù)據(jù)3號(hào)引腳接收數(shù)據(jù) 見圖8.15 1. 遠(yuǎn)程連接圖8.16為計(jì)算機(jī)與當(dāng)?shù)亟K端和遠(yuǎn)程終端的連接方法，當(dāng)?shù)亟K端直接通過RS232C連接；遠(yuǎn)程終端電話線連接。 TTLRS-232C電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，兩路TTLCMOS到RS232外圍電路只要5個(gè)電容見圖8.17 5. 串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS-449與RS-422/485RS232:15m; 20Kb/s; 出現(xiàn)不兼容的25芯連接器。電氣兼物理標(biāo)準(zhǔn)。

18、RS449：1200m；100Kb/s只是物理標(biāo)準(zhǔn)；RS422485只是電氣標(biāo)準(zhǔn)。 RS449（物理標(biāo)準(zhǔn)）見表84RS-422/485(電氣標(biāo)準(zhǔn))差分平衡的電氣接口，采用平衡驅(qū)動(dòng)差分接收方法，取消了信號(hào)地線，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出總是另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的反向信號(hào)一條表示“0”，另一條必為“1”。靈敏度為0.2V為例，V+-V-0.2V表示“0”；V+-V-0.2V表示：“1”抗共模干擾電壓，長(zhǎng)距離、高速傳輸。 422 全雙工，要用兩對(duì)差分平衡信號(hào)線連接(圖8.18a) 485 半雙工，只用一對(duì)差分平衡信號(hào)線連接(圖8.18b)表8-6 RS-422與RS-485電氣參數(shù)的比較1. RS232與RS-422

19、/485的轉(zhuǎn)換232使用廣泛，相距較遠(yuǎn)的232設(shè)備不能直接互連，232422轉(zhuǎn)換接頭可以實(shí)現(xiàn)232-422遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)際是通過光隔離將232的1498與422的75174，1488與422的75175相連 1. MAX485芯片與RS485通信網(wǎng)絡(luò)MAX485可作為RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)的接口電路，差分平衡系統(tǒng)，抗干擾，達(dá)1.2KM， MAX485可用于合用線系統(tǒng)，雙絞線為傳輸線，組成網(wǎng)絡(luò)，可掛32個(gè)站點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)器被禁止時(shí)，輸出為高阻。120m時(shí)，1Mb/s；1200m時(shí)，100kb/s；大于1200線轉(zhuǎn)發(fā)器 灌區(qū)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)異步模式下的初始化程序舉例 舉例：模式字FAH、控制字寫入奇地址

20、52H，字符7位，偶校驗(yàn)2個(gè)停止位異步波特率因子為16，則控制字為37H(清除出錯(cuò)標(biāo)志)啟動(dòng)接收器、發(fā)送器MOV AL，0FAH ；設(shè)置模式字，異步模式，波特率因子16，用7個(gè)數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)2個(gè)停止位OUT 52H，AL MOV AL，37H ；設(shè)置控制字使發(fā)送啟動(dòng)，接收啟動(dòng)，并設(shè)置有關(guān)信號(hào)OUT 52H，AL 同步模式下的初始化程序舉例 例子：同步模式字38H，2個(gè)同步字符均為16H，內(nèi)同步偶校驗(yàn)7位數(shù)據(jù)位，奇地址52H 控制字為97H，錯(cuò)誤標(biāo)志清除，收發(fā)啟動(dòng)，告8251就緒MOV AL，38H；設(shè)置模式字，使8251處于同步模式，2個(gè)同步字符7個(gè)數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)OUT52H，AL；MOVAL，16H；兩個(gè)同步字符均為16HOUT52H，AL；OUT52H，AL；MOVAL ，97H ；設(shè)置控制字，使發(fā)送器接收器啟動(dòng)，并設(shè)其它有關(guān)信號(hào)OUT52H，AL 利用狀態(tài)字進(jìn)行編程的舉例 下面的程序段先對(duì)8251初始化，然后對(duì)狀態(tài)字測(cè)試，以便輸入80個(gè)字符 MOV AL,0FAHOUT 42H,AL；設(shè)置模式字，異步模式，波 特率因子為16，7個(gè)數(shù)據(jù)位，2個(gè)停止位，偶校驗(yàn)MOV AL, 35HOUT 42H, AL；設(shè)置控制字，并啟動(dòng) MOV DI, 0 ；變址寄存器初始化 MOV CX, 80 ；共收取80個(gè)字符BEGIN: IN AL, 42H TEST AL