1、第八章 串行輸入/輸出接口,概述 串行通信的實現(xiàn) 串行通信的基本術(shù)語 可編程串行通訊接口芯片8251A簡介 串行通信RS232C USB總線簡介,8.1 概述,一、串行數(shù)據(jù) 計算機與外部信息交換方式有兩種，一種是并行通信，另一種是串行通信。并行通信時，數(shù)據(jù)各位同時傳送。而串行通信時，數(shù)據(jù)和控制信息是一位接一位串行地傳送下去。這樣，雖然速度會慢一些，但傳送距離比并行通信長，硬件電路也相應(yīng)簡單些。,現(xiàn)在的臺式PC機一般至少有兩個RS232串行口COM1和COM2，通常COM1使用的是9針D形連接器，而COM2使用的是老式的DB25針連接器。,二、 串行通信的實現(xiàn),1、并行通信和串行通 信的特點：

2、串行通信是逐位傳送數(shù)據(jù)，所以一個多位數(shù)據(jù)需要多次傳送。比如一個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： 速度較慢； 引線少； 距離長。,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)端要有一個并入串出移位寄存器，在收端要有一個串入并出移位寄存器。,0 0 1 1 0 0 0 0 0,0 0 0 1 1 0 0 0 0,0 0 0 0 1 0 0 0 1,D7,D0,3、串行通信的同步 為了可靠的串行通信，同步信號起到至關(guān)重要的作用。在理想情況下，同步信號應(yīng)該在數(shù)據(jù)信號線上出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)期間的中心點有效，因為這時數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)是最穩(wěn)定的。,但在典型的串行通信

3、系統(tǒng)中，是不存在同步信號線的！如何實現(xiàn)串行通信的中數(shù)據(jù)傳送的同步呢？系統(tǒng)從軟件和硬件兩方面采取了如下三個措施：,（1） 設(shè)置波特率波特率是指單位時間內(nèi)傳送的位數(shù)，單位是比特/秒。 （2）設(shè)置數(shù)據(jù)的傳送格式，一般地串行通信在傳送數(shù)據(jù)時，并不是單純地傳送數(shù)據(jù)位信息。為了使數(shù)據(jù)傳送可靠，還設(shè)定了其他一些輔助位。,（3） 設(shè)置波特率因子 在異步通信方式進行通信時，發(fā)送端需要用時鐘來決定每1位對應(yīng)的時間長度，接收端也需要用一個時鐘來測定每1位的時間長度，前一個時鐘叫發(fā)送時鐘，后一個時鐘叫接收時鐘。這兩個時鐘的頻率可以是波特率的數(shù)倍，一般取16倍、32倍或64倍。這個倍數(shù)就稱為波特率因子。,波特率,1/波

4、特 率因子,接收時鐘,12001619200 1200,8.2 串行通信的基本技術(shù),一、串行通信方式 1、 異步通訊 異步通信是指以字符為單位傳送數(shù)據(jù)，用起始位和停止位標識每個字符的開始和結(jié)束字符，兩次傳送時間隔不固定。 2、 同步通信 異步通訊為了可靠地傳送數(shù)據(jù)，在每次傳送數(shù)據(jù)的同時，附加了一些標志位。在大量數(shù)據(jù)傳送時，為了提高速度，就去掉這些標志，這就是同步通訊。采用同步傳送，在數(shù)據(jù)塊開始處要用同步字符來指示，并在發(fā)送端和接收端之間要用時鐘來實現(xiàn)同步。,二、串行通訊中的數(shù)據(jù)傳送方向 1、 半雙工 每次只能有一個站發(fā)送。 2、完全雙工 兩個站都能同時發(fā)送稱完全雙工。,三、異步接收/發(fā)送器（U

5、ART） 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)生錯誤的邏輯部件。,a. 奇偶錯誤 如上所述，在接收時，UART檢查接收到的每一個字符的“1”的個數(shù)這個標志，發(fā)出奇偶校驗出錯信息。,b. 幀錯誤 若接收到的字符格式不符合規(guī)定(如缺少停止位等)，則置位該標志，發(fā)出幀出錯信息。,c. 丟失(溢出)錯誤 UART是一種雙緩沖器結(jié)構(gòu)。例如，在接收時，接收的數(shù)據(jù)先由移位寄存器移位，把串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)，然后送到接收數(shù)據(jù)寄存器，由輸入指令將數(shù)據(jù)送到CPU中。由于數(shù)據(jù)送到接收數(shù)據(jù)寄存器，所以即使CPU還沒取走這個

6、數(shù)據(jù)，UART也可以接收另一個新的字符。但若UABT接收到第二個字符的停止位，且要把第二個字符傳送到接收數(shù)據(jù)寄存器時，CPU還沒取走上一個數(shù)據(jù)，于是第一個數(shù)據(jù)會被丟失。如果UART出現(xiàn)這種情況就置位丟失(溢出)標志，發(fā)出丟失出錯信息。,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。,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，但它需要外部時鐘電路。因此采用8251

7、A作為接口電路時需要比較復雜的外圍電路。而目前流行的單片機如MCS51系列，CPU內(nèi)部就集成了串行接口部件及定時器/計數(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而是使用單片機作為串行通信接口了。,一、主要基本性能1 可用于同步和異步傳送2 波特率, DC19.2K(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,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,1發(fā)送器 a. 數(shù)據(jù)輸出線TxD b. 發(fā)送時鐘 TxC c. 發(fā)送器準備好 TxRDY d.

8、 發(fā)送器空信號 TxEMPY 過程 TxRDY有效CPU寫數(shù)據(jù)到82518251發(fā)數(shù)據(jù) 發(fā)送完畢，TxEMPY有效 2接收器 a. 數(shù)據(jù)輸入線RxD b. 接收時鐘 RxC c. 接收器準備好 RxRDY 過程 8251接數(shù)據(jù) RxRDY有效 CPU讀8251,3調(diào)制解調(diào)控制電路 /DTR數(shù)據(jù)終端準備好信號。是由825IA送往外設(shè)的，表示CPU當前已經(jīng)準備就緒。 /DSR數(shù)據(jù)設(shè)備準備好。是外設(shè)送往825lA的，表示當前外設(shè)已經(jīng)準備好數(shù)據(jù)。,8251,Modem,/DTR,/DSR,/RTS請求發(fā)送信號。是8251A送往外設(shè)的，表示CPU已經(jīng)準備好發(fā)送。 /CTS清除請求發(fā)送信號。由外設(shè)送往82

9、5lA的，當為低電平時，允許825lA執(zhí)行發(fā)送操作。,8251,Modem,/RTS,/CTS,4讀/寫控制電路,三、8251編程,1、方式選擇控制字,三、8251編程,1、模式寄存器的格式（方式選擇控制字） 時鐘頻率波特率因子波特率,RxC TxC,OUT CLK GATE,+5v,1MHz,8251,8253,如果波特率為1200，波特率因子為16，問計數(shù)初值？,120016,2. 控制寄存器的格式（操作命令控制字）,接收,發(fā)射,3. 狀態(tài)寄存器的格式（狀態(tài)控制字（讀）,四、舉例,例：編寫8251異步模式下的接收和發(fā)送程序，設(shè)端口地址：90H，92H，波特率因子16，1起始位，1停止位，無

10、奇偶校驗，每字符8位。,RxC TxC,OUT CLK GATE,+5v,1.8432M,8251,8253,解： 1、8253工作方式及計數(shù)初值 工作方式 mode3 8253輸出頻率： fout9600*16=153600=153.6K fclk=1M N=1000/153.6=6.51(不能用！) fclk=1.8432M N=12,2、8251工作方式 方式選擇控制字,0 1 0 0 1 1 1 0 4EH,操作命令控制字,0 0 1 1 0 1 1 1 37H,3、程序 8251初始化設(shè)置： a、先對825lA軟件復位，一般采用先送3個0， 再送1個40H的方法，這也是8251A的編

11、程 約定，40H可以看成是使8251A執(zhí)行復位操 作的實際代碼。 b、對8251A進行工作方式及操作命令設(shè)置, MOV AL,00H ；復位8251 OUT 92H,AL CALL DELAY OUT 92H,AL CALL DELAY OUT 92H,AL CALL DELAY MOV AL,40H OUT 92H,AL CALL DELAY ；等待8251復位 MOV AL,4EH ；置工作方式 OUT 92H,AL MOV AL,37H ；操作命令 OUT 92H,AL ,發(fā)送： SENDDATPROC；DL:要發(fā)送的數(shù)據(jù) CHKTXR:IN AL，92H；輸入狀態(tài)字 AND AL，01

12、H；查TXRDY JZ CHKTXR MOV AL,DL OUT 90H，AL；發(fā)送 RET SENDDATENDP 接收： RECIDATPROC；AL:接收的數(shù)據(jù) CHKRXD:IN AL，92H；輸入狀態(tài)字 AND AL 02H；查RXRDY？ JZ CHKRXD IN 90H，AL；發(fā)送 RET RECIDATENDP,五、8250和16550速度 8250：509600 16550：115200,RxC TxC,OUT CLK GATE,+5v,1.8432M,8251,8253,A0 A1 A2,;允許訪問除數(shù)寄存器 MOV DX,MY16550_3 MOV AL,80H OUT

13、DX,AL CALL DALLY ;波特率9600；波特率1.8432/(波特率因子16) MOV DX,MY16550_0 ;波特率低8位 MOV AL,0CH OUT DX,AL CALL DALLY MOV DX,MY16550_1;波特率高8位 MOV AL,00H OUT DX,AL CALL DALLY,; 工作方式選擇 MOV DX,MY16550_3 MOV AL,1BH;偶校驗, 1位停止位, 8位數(shù)據(jù) OUT DX,AL CALL DALLY ; modem設(shè)置 MOV DX,MY16550_4;MCR MOV AL,03H;RTS, DTR有效 OUT DX,AL CAL

14、L DALLY ; 中斷設(shè)置 MOV DX,MY16550_1; 中斷允許寄存器 MOV AL,00H;中斷屏蔽 OUT DX,AL CALL DALLY,0 0 0 1 1 0 1 1,;發(fā)送 TR: MOV DX,MY16550_5;發(fā)送保持寄存器檢查LSR IN AL,DX AND AL,20H JZ TR MOV DX,MY16550_0 MOV AL,TXD_data;發(fā)送數(shù)據(jù) OUT DX,AL RET ;接收 REV: MOV DX,MY16550_5;查詢接收 IN AL,DX AND AL,01H JZ REV MOV DX,MY16550_0;接收數(shù)據(jù)寄存器 IN AL,D

15、X RET,8.4 串行通信接口RS232C,一、RS232C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=3V15V 邏輯0=3V15V 在控制線和狀態(tài)線RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上： 信號有效3V15V 信號無效3V15V,2RS232C與TTL轉(zhuǎn)換 RS232C是用正負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，為了能夠使計算機接口與終端的TTL器件連接，必須在RS232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系變換。,MAX232,3RS-232C的接口信號 可以用電纜線直接連接標準RS232端口，但通信距離較近(12m)。若 距離較

16、遠，可附加調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。RS232C規(guī)標準接口有25條線，最常用的信號線有9根。,二、RS232C應(yīng)用舉例 1RS232C串口通信接線方法（三線制）,2BIOS串行通信口功能 IBM PC及其兼容機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INT 14H調(diào)用ROM BIOS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,3舉例 設(shè)通信雙方有一臺計算機為PC機，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)

17、據(jù)長度，其后的字節(jié)為所接收的數(shù)據(jù)。,接收數(shù)據(jù)子程序： receiveproc far；這是接收數(shù)據(jù)子程序， ；出口AL，AH rec_check:mov ah,3；讀通訊口狀態(tài)字 mov dx,0 int 14h test ah,20H；測試數(shù)據(jù)準備好位 jz rec_check；數(shù)據(jù)未準備好，再讀狀態(tài)字 mov ah,2；讀通信端口數(shù)據(jù) mov dx,0 int 14h ret receiveendp,發(fā)送數(shù)據(jù)子程序： sendproc far;這是發(fā)送數(shù)據(jù)子程序, ;輸入?yún)?shù):AL,輸出參數(shù):AL,AH push ax send_check:mov ah,3；讀通訊口狀態(tài)字 mov dx,

18、0 int 14h test ah,20h；測試“發(fā)送保存寄存器空”位 jz send_check；發(fā)送保存寄存器滿，再讀狀態(tài)字 pop ax mov ah,2；發(fā)送數(shù)據(jù) mov dx,0 int 14h ret sendendp,85 USB總線簡介,一、 USB的定義 USB是Universal Serial Bus的縮寫,中文意思就是“通用串行總線”, 是連接有USB接口的計算機外圍設(shè)備到計算機的一種計算機外部總線結(jié)構(gòu),二、 USB的開發(fā)背景 制定了USB的規(guī)范： 1連接PC 與電話。 2Plug-and-Play （即插即用）。 3端口擴展。USB提供雙向低成本低速到中速(USB 2.

19、0 可達480Mb/s)的通用外設(shè)總線適用于連接各種各樣的外設(shè)并且易于擴展。,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-speed 1.5Mb/s, Full-speed 12Mb/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。,四USB系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),五 USB的特點 1USB

20、為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于操作的標準的連接類型。 2USB整個的系統(tǒng)只有一個端口和一個中； 3USB支持熱插拔(hot plug)； 4USB支持PNP； 5USB在設(shè)備供電方面提供了靈活性； 6USB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；,7USB2.0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時設(shè)備的實時數(shù)

21、據(jù)傳輸提供固定帶寬。 9USB 的端口具有很靈活的擴展性。一個USB 端口串接上一個USB Hub 就可以擴展為多個USB端口。規(guī)范中說，USB可以擴展到127個外設(shè)端口。,六、 USB工作原理,1、NRZI編碼,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，當要傳送一個文件時，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、包標識，后面添上CRC校驗，就形成了USB封包。一個文件可能可能有多個封包。全速USB總線把1毫秒作為一個時間幀，總線在一個幀內(nèi)依次傳送不同文件的封包。因此從宏觀上，就仿佛總線同時對不同的USB外設(shè)進行數(shù)據(jù)傳送。,3、USB封包根據(jù)信息包所實現(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