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8.1 串行通信的基本概念

第 8 章 串行接口. 8.1 串行通信的基本概念. 8.1.1 串行通信. 串行通信是将数据的各个位一位一位地，通过单条 1 位宽的传输线按顺序分时传送，即通信双方一次传输一个二进制位。串行通信与并行通信是两种基本的数据通信方式。. 发送方在发送前要将并行数据转成串行数据，接收方接收后要完成串行数据到并行数据的转换。. 与并行通信相比，串行通信的优势. 传输距离长，可达到数千公里. 长距离内串行数据传送速率会比并行数据传送速率快，串行通信的通信时钟频率较并行通信容易提高。. 抗干扰能力强，串行通信信号间的互相干扰完全可以忽略。. 费用低。. T. R.

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8.1 串行通信的基本概念

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  1. 第 8 章 串行接口 8.1 串行通信的基本概念 8.1.1 串行通信 串行通信是将数据的各个位一位一位地，通过单条1位宽的传输线按顺序分时传送，即通信双方一次传输一个二进制位。串行通信与并行通信是两种基本的数据通信方式。 发送方在发送前要将并行数据转成串行数据，接收方接收后要完成串行数据到并行数据的转换。

  2. 与并行通信相比，串行通信的优势 • 传输距离长，可达到数千公里 • 长距离内串行数据传送速率会比并行数据传送速率快，串行通信的通信时钟频率较并行通信容易提高。 • 抗干扰能力强，串行通信信号间的互相干扰完全可以忽略。 • 费用低。

  3. T R T T R R T R R T 8.1.2串行通信方式 • 单工方式 • 半双工方式 • 全双工方式

  4. 8.1.3 波特率与收/发时钟 波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（b/s）表示，也称为数据位率。它是衡量串行通信速率的重要指标。 收/发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。 一般在发送端是由发送时钟的下降沿使送入移位寄存器的数据串行移位输出。而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。

  5. 为了提高串行通信的抗干扰能力，往往用多个时钟调制一个二进制数据，调制一个二进制数据的收/发时钟个数称为波特率系数n。为了提高串行通信的抗干扰能力，往往用多个时钟调制一个二进制数据，调制一个二进制数据的收/发时钟个数称为波特率系数n。 收/发时钟频率与波特率之间的关系： 收/发时钟频率=n×波特率 一般n取1, 16, 32和64等。对于异步通信，常采用n=16；对于同步通信，则必须取n =1。

  6. 8.1.4 信号调制解调 原因：如果数字信号直接在公用电话网的传输线上传送，高次谐波的衰减会很厉害，从而使信号到了接收端后将发生严重畸变和失真。 解决：发送方使用调制器（Modulator），把要传送的数字信号调制转换为适合在线路上传输的音频模拟信号；接收方则使用解调器（Demodulator）从线路上测出这个模拟信号，并还原成数字信号。

  7. 调制方法：按照调制技术的不同分为调频（FM）、调幅（AM）和调相（PM）三种，根据传输数字信号的变化规律去调整载波的频率、幅度或相位

  8. 8.1.5 信道复用 时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing)，就是将一条物理传输线路按时间分成若干时间片轮换地为多个信号所占用，每个时间片由复用的一个信号占用。 频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)就是利用频率调制原理，将要同时传送的多个信号进行频谱搬移，使它们互不重叠地占据信道频带的不同频率段，然后经发送器从同一信道上同时或不同时地发送出去。 计算机串行数据通信及其接口中使用时分多路复用系统。

  9. 8.1.6 串行通信基本方式 异步串行通信 在通信的数据流中，字符间异步，字符内部各位间同步。异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间通信没有严格的定时要求。然而，一旦传送开始，收/发双方则以预先约定的传输速率，在时钟的作用下，传送这个字符中的每一位。

  10. 同步串行通信 数据流中的字符与字符之间和字符内部的位与位之间都同步。同步串行通信是以数据块（字符块）为信息单位传送，而每帧信息包括成百上千个字符，因此传送一旦开始，要求每帧信息内部的每一位都要同步。

  11. 8.2异步串行通信协议

  12. 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 后出 D0 先出 D7 Out 比如ASCII 字符 ‘A’, 二进制是0100 0001(8位)，它们在起始位和2位停止位之间传送，并使用了1位奇校验位。

  13. 为了确保异步串行通信传输正确： 1）采用相反极性的起始位和停止位/空闲位提供准确的时间基准 2）接收器在每位的中心采样，以获得最大的收/发时钟频率偏差容限 3）接收器采用比传送波特率更高频率的时钟来控制采样时间，以提高采样的分辨能力和抗干扰能力。

  14. 例题： 异步传输7位ASCII码，如果需要数据传输速率为240字符/秒，使用1位奇偶校验位和1位停止位，则： 1）波特率应该是多少？ 2）有效数据位传输位是多少？ 3）传输效率是多少？ 答： 1）波特率是 (7位数据位+1位起始位+1位校验位+1位停止位)×240 =2400b/s 2）有效数据位传输位是 ：7×240=1680b/s 3）传输效率是：1680/2400=70%

  15. 8.3 串行接口RS-232C标准 8.3.1 串行通信系统 数据终端设备DTE——数据源和目的地 数据通信设备DCE——使数据符合线路要求

  16. 8.3.2 常用的RS-232C信号线

  17. 8.3.3 常用的RS-232C连接 1.使用MODEM

  18. 2.不使用MODEM

  19. 3. 简单连接 4.最简单连接（3线连接）

  20. 8.3.4 电气特性 1.应保证电平在±(5~15)V之间 对于数据线：逻辑“1”(MARK)= -3V~ - 15V， 逻辑“0” (SPACE) = +3V~+15V 对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效 的电平 = +3V~15V 断开状态（OUT）即信号无效 的电平= -3Ⅴ~ - 15V。

  21. 2.必须进行电平转换 RS-232C接口采用的是负逻辑，其逻辑电平与TTL电平不一样，不能兼容。因此，为了实现与TTL电路的连接，必须进行电平转换。 目前可以使用新型电平转换芯片MAX232和MAX232A（高速）双组RS-232C发送/接收器，实现TTL电平与RS-232C电平双向转换。

  22. 3.必须抗共模噪声干扰 RS-232C由于在发送器与接收器之间有公共信号地，不可能使用双端信号，因此共模噪声很容易引入信号系统中，且噪声幅度可高达好几伏，这是迫使RS-232C使用较高传输电压的主要原因。另一个原因是为了补偿传输线上的信号衰减和沿线附加电平的影响。

  23. 4.处理好最大传输速率和最大传输线长度的关系 一般应用情况下，RS-232C的最高传输速率为20Kb/s，最大传输线长度为30m。

  24. 8.3.5 机械特性 1. 连接器

  25. 2. 电缆长度 在通信速率低于20Kb/s时，RS-232C所能直接连接的最大物理距离为15m（50ft）。 RS-232C规定，若不使用MODEM，则码元的畸变要小于4%，驱动器的负载电容应该小于2500pF，则单位（1ft）长度的电容值为NpF的电缆的长度应该是： 使用特制的低电容电缆也能有效地提高电缆长度，可以达到150m（500ft）甚至更多。

  26. 8.3.6 RS-232 的局限 • RS-232C采用单端驱动、单端接收的单端双极性电路标准。仅用一条线路传输一种信号，根据该信号线上电平相对于公共的信号地电平的大小来决定逻辑的“1”和“0”。 • 对于多条信号线来讲，它们的地线是公共的，这种共地传输方式，抗干扰能力很差。 • 尽管采用电平转换器来提高信号传输电平，但在较长距离时，由于电压损失，仍不可避免错误。 • 当信号穿过电磁干扰环境时，也可能因附加的干扰信号电平使发送的“0”变为“1”或“1”变为“0”。故其信号波特率不能过高，仅限在20Kb/s以下，且距离不大于15m。

  27. 8.3.7 RS-485总线 • RS-485接口标准是一种平衡传输方式的串行接口标准，这个标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输线之间的电位差值来决定的，当AA'线的电平比BB'线的电平高200mⅤ时表示逻辑“1”，当AA'线的电平比BB'线的电平低200mV时表示逻辑“0”。

  28. RS-485标准允许在电路中可有32个发送器，和32个接收器。允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是驱动发送器、接收器或收发器组合单元 • RS-485的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器和组合收发器可挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多点应用。 • 由于RS-485标准采用差动发送/接收，因此共模抑制比高、抗干扰能力强； • 传输速率高，最大传输速率可达10Mb/s（传送15m），传输信号的摆幅小（200mV）； • 传送距离远，采用双绞线，在不用MODEM的情况下，当100Kb/s的传输速率时，可传送的距离为1.2km，

  29. 8.4 异步通信适配器 PC微机异步通信适配器是微机与微机、微机与MODEM及微机与外设之间进行异步通信的接口。其核心是UART。 常见的UART主要有INS8250、PC16450和PC16550。此外，还有带更大缓冲的UART，称为PC16650和PC16750。

  30. 8.4.1 INS8250外部引脚

  31. CS0, CS1和CS2 片选线。 • ADS 地址选通线(锁存片选和内部寄存器选择) • DISTR和DISTR数据输入选通。(读寄存器允许) • DOSTR和DOSTR数据输出选通。(写寄存器允许) 1. 并行数据I/O及其控制线 • D7~D0 8位双向三态数据线。 • A0, A1和A2 内部寄存器选择。 • CSOUT 片选输出。（为高表示该片被选中） • DDIS 驱动器禁止。(禁止处理器和8250在数据线上的收发器动作)

  32. BAUDOUT工作时钟输出。 • RCLK 接收时钟输入。可和BAUDOUT相接 2. 串行数据I/O线 • SOUT 串行数据输出。 • SIN 串行数据输入。 • XTAL1 外部时钟输入端。 • XTAL2 基准时钟信号输出端。 F工作时钟=F基准时钟÷除数寄存器=传送波特率×16

  33. DSR数据设备就绪，输入线 • DTR数据终端就绪，输出线。 • RI振铃指示，输入线。 • RLSD接收线路信号检测，输入线。 • RTS请求发送，输出线。 • CTS清除发送，输入线。 3.和MODEM的握手信号线

  34. OUT1和OUT2由用户指定的输出端。MODEM控制寄存器的第二、第三位决定。OUT1和OUT2由用户指定的输出端。MODEM控制寄存器的第二、第三位决定。 4.中断请求，复位输入及其他信号线 • INTPRT 中断请求输出。 • MR 主复位输入。

  35. 8.4.2UART内部结构

  36. DLAB是线路控制寄存器的D7位。

  37. 奇偶校验选择 奇偶校验允许 1.线路控制寄存器LCR A2A1A0=011 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 WLS0 WLS1 SB SP STB DLAB EPS PEN 字符长度选择 00——5位 01——6位 10——7位 11——8位 中止设置 1—中止 0—正常 11——偶校验 01——奇校验 除数寄存器访问允许 0——禁止 1——允许 附加奇偶标志位选择 0——不附加 1——附加1位 停止位选择 0——1位 1——1.5位(D1D0=00） 2位(D1D0<>00)

  38. 2.线路状态寄存器LSR A2A1A0=101 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DR THRE OE PE TSRE BI FE 接收奇偶错 接收缓冲区满 中止识别标志 发送移位器空 接收格式错（无正确的停止位） 接收重叠错 发送保持器空 FIFO中接收数据错误(16550)

  39. 3.发送保持寄存器THR 接收缓冲寄存器RBR DLAB=0，A2A1A0=000 D7 D0 D7 D0 …… 接收移位寄存器 发送移位寄存器 低位到高位从SIN引脚串行移位进来 低位到高位串行移位到SOUT引脚输出 THR RBR CPU来的8位数据并行进THR 8位数据并行进CPU 发送方 接收方

  40. 4.波特率除数锁存器 DLAB=1, A2A1A0=001(高)或000(低) 这是一个软件控制的分频器，输出的工作时钟频率为16倍的波特率。 除数寄存器值 = 基准时钟频率÷（16×波特率） INS8250芯片输入的基准时钟频率为1.8432MHz，若波特率为4800b/s，则波特率除数为0018H，DLH中应填00H，DLL中应填18H 。 注意：PC16550的基准时钟一般为18.432MHz。 思考题： 使用INS8250异步传输7位ASCII码，如果需要数据传输速率为240字符/秒，使用1位奇偶校验位和1位停止位，波特率除数锁存器的值是多少？

  41. 5.中断识别寄存器IIR A2A1A0=010（读） D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 IP ID1 ID2 0 未决中断指示 0-有 1-无 允许64字节FIFO(16750) 0-禁止 1-允许 超时中断 0-不超时 1-超时 FIFO使 用指示 (16550) 01-允许FIFO但不可用 11-允许FIFO 中断类型标识

  42. 6.中断允许寄存器IER DLAB=0，A2A1A0=001 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 I2E I0E 0 I1E I3E 0 类型1中断(发送保持器空) 1-允许 0-屏蔽 类型2中断(接收缓冲器满) 1-允许 0-屏蔽 进入睡眠模式 (16750) 类型3中断(接收出错） 1-允许0-屏蔽 类型0中断(MODEM状态改变) 1-运行 0-屏蔽 进入低功耗模式(16550)

  43. 7.MODEM控制寄存器MCR A2A1A0=100 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DTR 0 RTS OUT1 LOOP OUT2 0 请求发送 自动流量控制(16750) 数据终端就绪 辅助输出1 环路检测(内部自循环） 辅助输出2，PC用做中断 注意这里的OUTi位极性和OUTi引脚相反。

  44. 8.MODEM状态寄存器MSR A2A1A0=110 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DSR CTS TERI RLSD RLSD DSR CTS RI DSR位发生改变 收到“接收线载波检测” 收到“数传机就绪” CTS位发生改变 收到“振铃指示”后沿 （下降沿） 收到“振铃指示” 收到“清除发送” RLSD位发生改变

  45. 9.FIFO控制寄存器(FCR) A2A1A0=010（写）16550后才有 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 清除接收FIFO缓冲器 接收端中断触发器水平(MSB) 允许64字节FIFO (16750) 允许FIFO缓冲器工作 清除发送FIFO缓冲器 接收端中断触发器水平(LSB) 保留 DMA方式选择

  46. 触发器水平即是指示在中断产生之前，接收缓冲器应该装满多少个字节。触发器水平即是指示在中断产生之前，接收缓冲器应该装满多少个字节。

  47. 常用UART比较

  48. 8.4.3 采用UART的异步通信适配器硬件逻辑 1.PC机的串行口

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