第八章串行輸入輸出接口第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)串行通信基礎(chǔ)知識一、串行通信基本原理1.計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送方式：并行數(shù)據(jù)傳送和串行數(shù)據(jù)傳送并行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)：各數(shù)據(jù)位同時(shí)傳送，控制簡單,速度快、效率高；成本高，且距離通常小于30米。計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送都使并行數(shù)據(jù)傳送。第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四串行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳送按位數(shù)需進(jìn)行，最少只需一根傳輸線，成本低,可利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備；速度慢,控制復(fù)雜。距離可從幾米到幾千公里。計(jì)算機(jī)通信(串行通信)是指計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。

在多微機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)代測控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式。

第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四串行通信的方式:異步通信是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。為使雙方的收發(fā)協(xié)調(diào)，要求發(fā)送和接收設(shè)備的時(shí)鐘盡可能一致。

異步通信是以字符（構(gòu)成的幀）為單位進(jìn)行傳輸，字符與字符之間的間隙（時(shí)間間隔）是任意的，但每個(gè)字符中的各位是以固定的時(shí)間傳送的，即字符之間是異步的但同一字符內(nèi)的各位是同步的。

2.異步串行通信的字符格式:異步和同步方式第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四5

不要求收發(fā)雙方時(shí)鐘的嚴(yán)格一致，實(shí)現(xiàn)容易，設(shè)備開銷較小，但每個(gè)字符要附加2～3位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。異步串行通信的字符格式:異步通信的特點(diǎn)：第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、串行通信的傳輸方向

單工半雙工全雙工1、單工是指數(shù)據(jù)傳輸僅能沿一個(gè)方向，不能實(shí)現(xiàn)反向傳輸。第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2、半雙工是指數(shù)據(jù)傳輸可以沿兩個(gè)方向，但需要分時(shí)進(jìn)行。第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四3、全雙工是指數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸。

第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四三、串行通信的信號形式

近程和遠(yuǎn)程的串行通信的信號形式不同

1.近程通信(本地通信)

采用數(shù)字信號直接傳送,在傳送過程中不改變原數(shù)據(jù)代碼的波形和頻率.這種數(shù)據(jù)傳送方式稱為基帶傳送方式.寄存器串行接口計(jì)算機(jī)ATTL電平寄存器串行接口計(jì)算機(jī)BTTL電平RS-232電平第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2.遠(yuǎn)程通信

10

利用調(diào)制器(Modulator)把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后送到通信線路上去，再由解調(diào)器(Demodulator)把從通信線路上收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通信是雙向的，調(diào)制器和解調(diào)器合并在一個(gè)裝置中，這就是通常說的調(diào)制解調(diào)器MODEM。

第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

2.波特率:每秒鐘調(diào)制信號變化的次數(shù)，單位是：波特(Baud)。如每秒鐘傳送240個(gè)字符，而每個(gè)字符格式包含10位(1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、8個(gè)數(shù)據(jù)位)，這時(shí)的比特率為：四、傳輸速率1.比特率:每秒鐘傳輸二進(jìn)制代碼的位數(shù)，單位是：位／秒(bps)。比特率和波特率10位×240個(gè)/秒=2400bps

波特率和比特率不總是相同的，對于基帶傳輸比特率和波特率是相同的。所以，我們也經(jīng)常用波特率表示數(shù)據(jù)的傳輸速率。注釋第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四3設(shè)置波特率因子在異步通信方式進(jìn)行通信時(shí)，發(fā)送端需要用時(shí)鐘來決定每1位對應(yīng)的時(shí)間長度，接收端也需要用一個(gè)時(shí)鐘來測定每1位的時(shí)間長度，前一個(gè)時(shí)鐘叫發(fā)送時(shí)鐘，后一個(gè)時(shí)鐘叫接收時(shí)鐘。這兩個(gè)時(shí)鐘的頻率可以是波特率的數(shù)倍，一般取16倍、32倍或64倍。這個(gè)倍數(shù)就稱為波特率因子。第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)串行通信的實(shí)現(xiàn)1、并行通信和串行通信的特點(diǎn)：串行通信是逐位傳送數(shù)據(jù)，所以一個(gè)多位數(shù)據(jù)需要多次傳送。比如一個(gè)8位的字節(jié)型數(shù)據(jù)至少需要8次傳送。它有如下特點(diǎn)：速度較慢；引線少；距離長。第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2、串行通信的硬件條件在硬件上，串行通信系統(tǒng)的核心部件是移位寄存器，其中在發(fā)端要有一個(gè)并入串出移位寄存器，在收端要有一個(gè)串入并出移位寄存器（因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)部均為并行數(shù)據(jù)）。第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四D7D7D7D7D7D7::::::第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)異步接收/發(fā)送器（UART）

串行接口的基本結(jié)構(gòu)主要是異步接收/發(fā)送器（UART），它不僅包括并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換，還有檢測串行通信在傳送過程中可能發(fā)生錯(cuò)誤的邏輯部件。

第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四四、信號的調(diào)制和解調(diào)

由于模擬信號的傳輸比數(shù)字信號傳輸更為有效，因而可將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號進(jìn)行傳輸，用解調(diào)器把接收的模擬信號再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四FSK（Frequency-shiftkeying）：頻移鍵控。就是用數(shù)字信號去調(diào)制載波的頻率。它是利用基帶數(shù)字信號離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

最常見的是用兩個(gè)頻率承載二進(jìn)制1和0的雙頻FSK系統(tǒng)。

第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四8.3可編程串行通訊接口芯片8251A簡介

8251A芯片是INTEL公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路芯片，是與INTEL系列CPU兼容的可編程的串行通訊接口。雖然8251A功能較強(qiáng)，但它需要外部時(shí)鐘電路。因此采用8251A作為接口電路時(shí)需要比較復(fù)雜的外圍電路。而目前流行的單片機(jī)如MCS51系列，CPU內(nèi)部就集成了串行接口部件及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，幾乎不需要外圍輔助電路，使用起來非常簡單，性能價(jià)格比很高，因此現(xiàn)在越來越多的數(shù)字化儀器儀表電路中不再采用8251A而是使用單片機(jī)作為串行通信接口了。第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四一、主要基本性能

1．

可用于同步和異步傳送

2．

波特率,DC－19.2K(異步)；DC－

64K(同步)。

3．

完全雙工，雙緩沖發(fā)送和接收

4．

與8080/8085CPU完全兼容

第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

發(fā)送和接收電路調(diào)制解調(diào)控制電路

總線接口部分第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四8.4串行通信接口RS－232C一、RS－232C電器特性及接口信號

1．電氣特性

在數(shù)據(jù)線TXD和RXD上：

邏輯1=－3V～－15V

邏輯0=＋3V～＋15V

在控制線和狀態(tài)線RTS、CTS、 DSR、DTR和DCD上：

信號有效＝＋3V～＋15V

信號無效＝－3V～－15V第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

現(xiàn)在的臺式PC機(jī)一般至少有兩個(gè)RS－232串行口COM1和COM2，通常使用的是9針D形連接器，而也有使用的是老式的DB25針連接器。

9芯信號方向來自縮寫描述1調(diào)制解調(diào)器CD載波檢測2調(diào)制解調(diào)器RXD接收數(shù)據(jù)3PCTXD發(fā)送數(shù)據(jù)4PCDTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好5GND信號地6調(diào)制解調(diào)器DSR通訊設(shè)備準(zhǔn)備好7PCRTS請求發(fā)送8調(diào)制解調(diào)器CTS允許發(fā)送9調(diào)制解調(diào)器RI響鈴指示器

第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2．RS－232C與TTL轉(zhuǎn)換

RS－232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠使計(jì)算機(jī)接口與終端的TTL器件連接，必須在RS－232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系變換。

第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

3．RS-232C的接口信號

可以用電纜線直接連接標(biāo)準(zhǔn)RS232端口，但通信距離較近(<12m)。若距離較遠(yuǎn)，可附加調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。RS－232C規(guī)標(biāo)準(zhǔn)接口有25條線，最常用的信號線有9根。第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、RS－232C應(yīng)用舉例1．RS－232C串口通信接線方法（三線制）第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2．BIOS串行通信口功能IBMPC及其兼容機(jī)提供了比較靈活的關(guān)于串行口的BIOS中斷調(diào)用方法，即通過INT14H調(diào)用ROMBIOS串行通信口例行程序。該例行程序包括將串行口初始化為指定的字節(jié)結(jié)構(gòu)和傳輸速率，檢查控制器的狀態(tài)，讀寫字符等功能第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四3．舉例設(shè)通信雙方有一臺計(jì)算機(jī)為PC機(jī)，使用COM1端口。在串行通信中，必須首先設(shè)定通信雙方所使用字符串的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，才能進(jìn)行軟件編程。這里我們設(shè)數(shù)據(jù)在接收和發(fā)送的字符串中，序號為0的字節(jié)為數(shù)據(jù)長度，其后的字節(jié)為所接收的數(shù)據(jù)。第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四接收數(shù)據(jù)子程序：receive procfar ；這是接收數(shù)據(jù)子程序， ；出口AL，AHrec_check: movah,3 ；讀通訊口狀態(tài)字 movdx,0 int14h testah,20H ；測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好位 jzrec_check ；數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好，再讀狀態(tài)字 movah,2 ；讀通信端口數(shù)據(jù) movdx,0 int14h retreceive endp第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四發(fā)送數(shù)據(jù)子程序：send procfar ;這是發(fā)送數(shù)據(jù)子程序, ;輸入?yún)?shù):AL,輸出參數(shù):AL,AH pushaxsend_check: movah,3 ；讀通訊口狀態(tài)字 movdx,0 int14h testah,20h ；測試“發(fā)送保存寄存器空”位 jzsend_check ；發(fā)送保存寄存器滿，再讀狀態(tài)字 popax movah,2 ；發(fā)送數(shù)據(jù) movdx,0 int14h retsend endp第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四8．5USB總線簡介一、USB的定義

USB是UniversalSerialBus的縮寫,中文意思就是“通用串行總線”,是連接有USB接口的計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備到計(jì)算機(jī)的一種計(jì)算機(jī)外部總線結(jié)構(gòu)

第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、USB的開發(fā)背景制定了USB的規(guī)范：1．連接PC與電話。2．Plug-and-Play（即插即用）。3．端口擴(kuò)展。USB提供雙向低成本低速到中速(USB2.0可達(dá)480Mb/s)的通用外設(shè)總線適用于連接各種各樣的外設(shè)并且易于擴(kuò)展。

第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四三、USB的變革

至目前為止，USB共經(jīng)歷以下幾次重大變革：

0.7版本

于1994年11月11日發(fā)布。是USB的最早版本。

1.0版本

于1995年11月13日制定發(fā)布了,規(guī)定USB具有2種傳輸速度Low-speed1.5Mb/s,Full-speed12Mb/s。

1.1版本

于1998年9月23日制定了1.1規(guī)格版本,速度不變。

2.0(草案)版本

于1999年10月5日發(fā)布。制定了High-speed的概念，規(guī)格

。

2.0版本

于2000年4月27日發(fā)布。

第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四四．USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對于每個(gè)PC來說，都有一個(gè)或者多個(gè)稱為Host控制器的設(shè)備，該Host控制器和一個(gè)根Hub作為一個(gè)整體。這個(gè)根Hub下可以接多級的Hub，每個(gè)子Hub又可以接子Hub。每個(gè)USB作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)接在不同級別的Hub上。每個(gè)USBHost控制器都會自帶一個(gè)USBHub，被稱為(Root)Hub。這個(gè)根Hub可以接子(Sub)Hub，每個(gè)Hub上掛載USB設(shè)備。一般PC有8個(gè)USB口，通過外接USBHub，可以插更多的USB設(shè)備。當(dāng)USB設(shè)備插入到USBHub或從上面拔出時(shí)，都會發(fā)出電信號通知系統(tǒng)。這樣可以枚舉USB設(shè)備，例如當(dāng)被插入的時(shí)候，系統(tǒng)就會創(chuàng)建一個(gè)USB物理總線，并詢問用戶安裝設(shè)備驅(qū)動

對于具體USB設(shè)備來說，每個(gè)USB設(shè)備的傳輸絕對不會影響其他USB設(shè)備的傳輸。例如，在有USB設(shè)備傳輸?shù)臅r(shí)候，其他USB設(shè)備的帶寬不會被占用。對于USB設(shè)備來說，每個(gè)USB設(shè)備是直接連接到USBHost控制器上的。第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四五．USB的特點(diǎn)

1．USB為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于操作的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。2．USB整個(gè)的系統(tǒng)只有一個(gè)端口和一個(gè)中斷；3．USB支持熱插拔(hotplug)；4．USB支持PNP；5．USB在設(shè)備供電方面提供了靈活性；6．USB提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率來適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)；USB2.0還支持480Mbps的高速傳輸速率；第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四7．USB2.0的High-speed模式支持音頻和視頻設(shè)備，可以保證其固定帶寬；8．為了適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸，Bulk數(shù)據(jù)傳輸，中斷數(shù)據(jù)傳輸，同步數(shù)據(jù)傳輸。同步數(shù)據(jù)傳輸可為音頻和視頻等實(shí)時(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸提供固定帶寬。9．USB的端口具有很靈活的擴(kuò)展性。一個(gè)USB端口串接上一個(gè)USBHub就可以擴(kuò)展為多個(gè)USB端口。規(guī)范中說，USB可以擴(kuò)展到127個(gè)外設(shè)端口。第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四六、USB工作原理1、NRZI編碼

第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2、分組傳送

USB技術(shù)和IP技術(shù)一樣，都是基于分組傳送方式的。對USB總線來講，當(dāng)要傳送一個(gè)文件時(shí)，程序按照USB協(xié)議，首先把數(shù)據(jù)分成若干塊，然后在每塊數(shù)據(jù)前面添上同步信號、包標(biāo)識，后面添上CRC校驗(yàn)，就形成了USB封包。一個(gè)文件可能可能有多個(gè)封包。全速USB總線把1毫秒作為一個(gè)時(shí)間幀，總線在一個(gè)幀內(nèi)依次傳送不同文件的封包。因此從宏觀上，就仿佛總線同時(shí)對不同的USB外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四3、USB封包

根據(jù)信息包所實(shí)現(xiàn)的功能可分為3種類型：令牌包、數(shù)據(jù)包和握手包。

令牌包定義了數(shù)據(jù)傳送的類型。比如圖所示。

第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四七、USB傳輸方式1、USB的四種傳輸方式（1）同步(isochronous)方式傳輸同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時(shí)間，以固定的傳輸速率,連續(xù)不斷地在主機(jī)與USB設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù),在傳送數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),USB并不處理這些錯(cuò)誤,而是繼續(xù)傳送新的數(shù)據(jù)，它被用于時(shí)間嚴(yán)格并具有較強(qiáng)容錯(cuò)性的流數(shù)據(jù)傳輸或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時(shí)應(yīng)用中。第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四（2）中斷傳輸方式(Interrupt)該方式傳送的數(shù)據(jù)量很小,但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理,以達(dá)到實(shí)時(shí)效果。此方式主要用于定時(shí)查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳輸。（3）控制傳輸方式(Control)控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小，用來處理主機(jī)到USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。包括設(shè)備控制指令、設(shè)備狀態(tài)查詢及確認(rèn)命令。（4）批(Bulk)傳輸方式主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)大量傳輸和接受數(shù)據(jù)上，