微机原理与接口技术:串行通信 详细笔记与例题

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微机原理与接口技术:串行通信 详细笔记与例题

2024-06-04 12:48| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 1.串行数据通信1.1.数据传输方式1.2.信号方式1.3.通信速率1.4.信号的调制和解调1.5.信息的纠错与检错1.6.发送/接收时钟1.7.波特因子 2.串行通信的方式2.1.同步传送方式2.2.异步传输方式 3.串行通信接口4.RS-232-C标准5.串行通信接口的典型连接6.可编程串行通信接口8251A6.1.8251A的外部引脚6.1.1.与CPU相连的引脚6.1.2.与外部设备或调制解调器连接的引脚6.1.3.时钟信号6.1.4.8251A的工作过程 6.2.8251A的内部寄存器6.2.1.方式控制字寄存器6.2.2.命令字寄存器6.2.3.同步字符寄存器6.2.4.状态寄存器

通信方式的分类:通信的基本方式可以分为并行通信和串行通信两种。

并行通信:

定义:并行通信是指数据的各位同时传送。优点:数据传输速度快,接口电路简单;缺点:使用的通信线多,随着传输距离的增加,通信成本增加且可靠性下降。适用场合:适合距离较短的场合。

串行通信:

定义:将要传送的数据按照一定的数据格式一位一位地按顺序传送,只在一根或一对信号线上传输。优点:只需要一根传输线(并且可以利用现有的电话线),传输线路成本低。缺点:需要进行串并转换和并串转换,增加了硬件成本。适用场合:接口与外设之间、计算机与计算机之间。适用于远距离的数据传送。 1.串行数据通信 1.1.数据传输方式

串行通信按传送方向分类:单工方式、半双工方式、全双工方式。

单工方式:只允许数据按照一个固定的方向传送;半双工方式:收发双方均可以接收和发送数据,但是由于只有以堆传输线,因此同一时刻只能有一个站发送,另一个站接收。全双工方式:有两对传输信号线,每个站任意时刻不仅可以发送也可以接收。 1.2.信号方式

信号方式分类:单端信号、差分信号。

单端信号:用一根信号线上的电平表示该信号。差分信号:用两根信号线的电平之差表示信号。 1.3.通信速率

通信速率的指标:数据传输率和波特率。

数据传输率(比特率):每秒传送二进制数码的位数,以位/秒为单位,也可以以字符为单位。波特率:数据信号对载波的调制速率,定义为每位传送时间的倒数,单位是波特。 波特率和比特率的关系:比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数。 1.4.信号的调制和解调

TTL型电平概述:计算机中二进制数据的常用表示方法。高于2.4V表示逻辑1,低于0.5V表示逻辑0。

TTL型电平存在的问题:在远距离传输时由于受到线路特性的影响,信号会发生衰减和畸变,使得接收端的信号难以分辨。

调制的概念:用一个信号控制另一个信号的某个参数使之随之变化的过程。这两个信号分别称为调制信号和被调制信号;经过调制后参数随调制信号变化的信号称为已调制信号。

解调的概念:从已调制信号中还原出被调制信号的过程称为解调。

调制器和解调器的作用:在发送端,调制器把数字信号变为交变模拟信号;在接收端,解调器把交变模拟信号还原成数字信号,送到数据处理设备。

调制解调器的概念:由于通信的任意端都会有接收和发送数据的请求,也就是同时需要调制器和解调器的功能,因此常把两者放在一起称为调制解调器。

基本的调制方法:

调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM) :即载波频率随数字信号而变化。调相(PM):即载波初始相位随基带数字信号而变化. 1.5.信息的纠错与检错

误码率的定义: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。

检错的概念:如何发现传输中的错误。

检错的方法:奇偶校验检错,循环冗余码检错等。

纠错的概念:如何消除传输中的错误。

1.6.发送/接收时钟 功能:发送/接收时钟直接决定了通信线路上数据传输的速率,对于收发双方之间数据传输的同步有十分重要的作用。发送时钟:并行的数据序列被送入移位寄存器,然后通过移位寄存器由发送时钟进行移位,变为串行数据输出。数据位的时间间隔可以由发送时钟周期来划分。接收时钟:将串行数据序列逐位移入移位寄存器而装配为并行数据序列的过程。一般规范:在发送端的发送时钟的下降沿使送入移位寄存器中的数据串行移位输出;接收端则是在接收时钟的上升沿作用下将传输线上的数据逐位打入移位寄存器。 1.7.波特因子 定义:为了提高串行通信的抗干扰能力,用多个时钟周期传输一个二进制数据,传输一个二进制数据的收发时钟周期的个数称为波特因子。收发时钟频率和波特因子的关系:收发时钟频率=波特率×波特因子。常用的波特因子:对于异步通信一般采用n=16;对于同步通信必须取n=1。 2.串行通信的方式

串行通信的方式:同步传送方式、异步传送方式。

同步传输方式:靠同步时钟信号来实现数据的发送和接收。异步传输方式:利用一帧字符的起始位和停止位来完成收发同步。 2.1.同步传送方式 使用信号:发送方一方面要发送数据信号,同时还要发送一个用于同步的时钟信号。时钟信号和数据的关系:同步时钟信号的一个周期和一位数据是对应的;在同步时钟信号的一个周期的时间里,数据线上同步地发送一位数据。信号线:同步时钟信号可以单独用一根信号线传送,也可以和数据信号组合以后在一根信号线上传送。方式特点:数据连续传送。若干个数据组成一个数据块,通信开始以后,发送方连续发送信息流,直到这个数据块传送结束。方式分类:面向字符的同步方式和面向比特的同步方式。面向字符的同步方式:以由用户约定的一个或两个同步字符(常用ASCII码中的SYNC)作为数据块的开始。面向比特的同步方式:用一组特殊的二进制信息01111110开始,随后是需要发送的信息,最后仍然以01111110结束。 2.2.异步传输方式 传送单位:异步通信以帧为传送单位,内部包含了一个字符的信息。传送特点:各个帧可以连续传送,也可以断续传送,由发送方根据需要来决定。数据传输速率:双方事先约定好的。另一特点:双方各自用自己的时钟信号来控制发送和接收。帧的特点:一个帧由起始位开始,停止位结束。两个帧之间为空闲位,一帧信息由7-12位二进制组成。

帧的组成:

起始位:传输线上没有数据传输时,处于连续的逻辑1状态。一帧数据以一位逻辑0开始,告诉接收方有一帧数据开始,该位称为起始位。数据位:起始位后紧接着的就是数据位,位数一般为5-8位,由双方事先约定,先发送低位。奇偶校验位:数据位之后是奇偶校验位,通信双方需要事先约定采用奇校验还是偶校验。奇校验中数据位和校验位的1的总个数为奇数个;偶校验中数据位和校验位的1的总个数为偶数个。奇偶校验并非必须,也可以采用无校验传输。停止位:最后传输的是停止位,可以是指定位数的逻辑1信号,标志着一帧数据传输的结束。 3.串行通信接口

串行通信接口的作用:

把计算机的并行数据转换成串行数据发送出去;把接收到的外部串行数据转换成并行数据送入计算机内部。

结构组成:

数据总线收发器:双向的并行数据通道,CPU与串行接口之间通过它传送数据、状态和控制命令。控制寄存器:接收CPU的各种控制信息。状态寄存器:指示串行通信过程中的状态。输入输出移位寄存器:串行接口与外部设备之间进行数据传送的通道,用来完成并行和串行两种数据的相互转换。数据输入寄存器:与输入移位寄存器连接。输入移位寄存器每接收一位外部输入的数据就把寄存器内容向右移动一位,所接受的数据填满寄存器后将一个完整的并行数据送入数据输入寄存器暂存,这样就完成了一次串联到并联的转换。CPU可以读数据输入寄存器的数据而完成一个数据的输入过程。数据输出寄存器:数据输出寄存器与数据输出移位寄存器连接,CPU把要输出的数据写入数据输出寄存器,这个寄存器中的数据被并行地送往输出移位寄存器,在发送移位脉冲的作用下,数据逐位右移输出。全部的内容输出后,就完成了一个串行数据的输出过程。控制信号逻辑:接收CPU发来的控制信号,产生内部各个寄存器的读写信号。移位脉冲时钟:从外部输入时钟信号,用作发送和接收数据的移位时钟。 4.RS-232-C标准

通信协议的定义:为了使得通信能够顺利进行,通信双方必须就通信的规则事前进行约定,这种约定好的并在通信过程中双方共同遵守的规则称为通信协议。

通信协议的内容:包括收发双方的同步方式、数据格式、传输速率、差错检验方式和纠错方式、通信进程的控制等。

串行通信协议的内容:包括串行异步通信协议和串行同步通信协议。

RS-232-C标注概述:这个标准对串行接口电路的信号名称和功能、信号电平等作了统一的规定,为串行接口部件的互连提供了统一的规范。

信号电平:RS-232-C的信号电平与计算机本身以及I/O接口芯片采用的TTL电平不匹配,因此需要专门的电路来实现电平转换。

信号定义:

TxD:发送数据输出信号。RxD:接收数据输入信号。#RTS:请求发送输出信号。#CTS:发送允许输入信号。#DSR:数据设备就绪输入信号。GND:信号地线。#DCD:载波检测输入信号。#DTR:数据终端就绪输出信号。#RI:响铃指示输入信号。 5.串行通信接口的典型连接

连接调制解调器:微机利用RS232C接口连接调制解调器,用于实现通过线路的远距离通信。

空调制解调器连接:微机利用RS232C接口直接连接进行短距离通信。这种连接不使用调制解调器,所以被称为空调制解调器(Null Modem)连接。共有三种常见方式: 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

6.可编程串行通信接口8251A

芯片概述:

可用于串行异步通信,也可用于串行同步通信。接收和发送数据分别有各自的缓冲器,可以进行全双工通信。提供与外部设备特别时调制解调器的联络信号,方便直接与通信线路相连接。 6.1.8251A的外部引脚 6.1.1.与CPU相连的引脚 D7-D0:数据线,与系统数据总线连接。RESET:复位输入信号。复位后8251A处于空闲状态直到被初始化编程。#RD:读输入信号。#WR:写输入信号。C/#D:控制/数据端口选择输入线。8251A内部占用两个端口地址。当该信号为0时表示选择数据端口传输数据;为1时表示选择控制端口传输控制字或状态信息。通常与地址总线的A1或A0连接。#CS:片选信号输入。TxE:发送缓冲区空闲状态输出。有效时表示缓冲区内没有要发送的字符,CPU把下一个要发送的数据写入8251A后自动复位。TxRDY:发送准备好状态输出。发送寄存器空且允许发送时有效。CPU向8251A写入一个字符后恢复为无效。同时,这个引脚可以用来向8259申请发送中断。RxRDY:接收准备好状态输入。接收器接收到一个字符后变为有效,字符被CPU读取后变为无效。该引脚也可以用于向8259A申请接收中断。 6.1.2.与外部设备或调制解调器连接的引脚 TxD:串行数据输出。CPU并行输出给8251A的数据从这个引脚串行发送出去。RxD:串行数据输入。高电平表示数字1,低电平表示数字0。SYNDET:同步状态输出信号,或者外同步状态输入。这个引脚仅对于同步方式有意义。

以下的四个引脚用于连接调制解调器:

#DTR:数据终端准备好输入信号,用于向调制解调器表示数据终端已经准备好。#DSR:数据设备已准备好输入信号。调制解调器准备好时信号有效,向8251A表示调制解调器已经就绪。CPU可以通过读取状态寄存器的D7位检测该信号。#RTS:请求发送输出信号。用于请求调制解调器做好发送准备(建立载波)。#CTS:清除发送输入信号,也是允许传送信号。调制解调器做好传送准备时将#CTS设置为有效。

注意事项:如果8251A不使用调制解调器直接与外界通信,应该将#DSR和#CTS接地。

6.1.3.时钟信号 #RxC:接收器时钟输入信号。该信号控制接收器接收字符的速率。#TxC:发送器时钟输入信号。CLK:时钟输入信号,用于产生8251A的内部时序。 6.1.4.8251A的工作过程

接收器的工作方式:

异步方式:接收器接收到有效的起始位后,开始接受后续的数据位、奇偶校验位和停止位,然后将数据送入数据输入寄存器。此后RxRDY输出高电平,表示已经接收到一个字符,CPU可以来读取。同步方式:首先检测信号线上的同步字符,在确认接收到同步字符后才开始接收数据信息。同步字符可以由8251A来检测,称为内同步;也可以由外部(如调制解调器)来检测,称为外同步。

发送器的工作过程:

异步方式:发送器在数据前加上起始位,并根据程序的设定在数据后加上校验位和停止位,组成一帧信息。然后从低位开始,从TxD引脚逐位发送。同步方式:发送器先发送同步字符,然后逐位地发送数据。如果CPU没有及时把数据写入发送缓冲器,则8251A用同步字符填充直到CPU写入新的数据。 6.2.8251A的内部寄存器

寄存器的选择方式:通过C/#D信号、读写信号和读写的先后顺序来控制。

6.2.1.方式控制字寄存器 功能:确定8251A的通信方式(同步/异步)、校验方式(奇校验/偶校验/不校验)、数据位数和波特率参数等。写入时间:复位后写入,且只需要写入一次。写入格式: 在这里插入图片描述 6.2.2.命令字寄存器 功能:使得8251A处于规定的状态以准备发送或接收数据。写入时间:写入方式控制字后写入,用于控制8251A的工作,可以多次写入。写入格式: 在这里插入图片描述 方式控制字和命令控制字的区分:方式控制字和命令控制字本身无特征标志,使用相同的端口地址,8251A根据写入的先后次序区分两者。复位后第一次写入的位方式控制字,后继写入的为命令控制字。 6.2.3.同步字符寄存器 功能:8251A工作在内同步方式时,需要由程序员把要使用的同步字符写入该寄存器,供搜索同步字符使用。选择:可以有单同步字符和双同步字符两种选择。 6.2.4.状态寄存器 功能:存放8251A的状态信息供CPU查询。格式: 在这里插入图片描述


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