串行通信及接口电路.ppt

第15章 串行通信及接口电路,15.1 串行通信的基本概念,15.1.1 串行通信的特点： 数据在单条1位宽的传输线上按时间先后一位一位地传送； 节省传输线（优点）； 数据传输率较低（缺点）； 主要适用于长距离、低速率的通信中。,15.1.2 串行通信涉及的常用术语,1. 单工、半双工和全双工(数据通信的方向性结构） (1)单工（Simplex) 特点：仅能进行一个方向的数据传送,(2) 半双工（Half Duplex） 特点：数据可以在两个方向上进行传送，但是这种传送绝不能同时进行。【双向，但不同时】,(3) 全双工（Full Duplex） 特点：能够在两个方向同时进行数据传送。,2. 数据传输率,每秒传输的二进制位数，单位为bps（bit per second ）也称比特率。 波特率每秒传输的“符号”（也称信号码元Signal Element）的个数。 【例如，每秒传送1个符号，则波特率为1波特】,在计算机中，一个“符号”的含义为高、低两种电平，分别代表逻辑值“1”和“0”，所以每个符号的信息量为1比特，此时波特率与比特率刚好一致。 但在其他一些场合 (例如通信中采用的“相一幅”复合调制技术),一个“符号”的信息含量就不是一个比特，此时，波特率就不等于比特率。,标准 波特率系列：50，75，110，150，300，600，1200，,900,1800,00,2700,001,101,011,111,000,100,110,010,现在的电话网是模拟通信系统，它是为传输话音信息而设计的。要在电话网上传送数字信号，必须经过调制和解调。 实现调制和解调两个过程的设备称为“调制解调器”（Modulator DemodulatorModem）,方法：选取音频范围某一频率的正（余）弦模拟信号作为载波，用以运载所要传送的数字信号。 用传送的数字信号改变载波信号的幅值、频率或相位，使之在信道上传送； 到达信道另一端，再将数字信号从载波中取出。,3. 发送时钟和接收时钟,数据输入寄存器,输入移位寄存器,1，16，32,数据输出寄存器,输出移位寄存器,1，16，32,CLK(主时钟),（串行数据输入）,输入移位脉冲,（串行数据输出）,输出移位脉冲,接收时钟,发送时钟,4. 波特率因子,F（时钟频率）波特率因子波特率 波特率因子: 数据传输率（波特率）与时钟频率之间的比例系数. 给定时钟频率，选择不同的波特率因子可得到不同的波特率。 例如：f = 19.2 kHz，若选波特率因子为16，则波特率为1200 bps。 若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对时钟频率的要求。,12001619200（时钟频率）若外部时钟电路的频率F1MHz，需用8253分频，试计算分频系数（8253的计数初值）？ 8253计数初值时钟频率(波特率波特率因子),8251,外部的 时钟电路,1， 16，,1MHz,N分频,19.2KHz,移位脉冲,CLK,OUT,8253,5.异步方式与同步方式,(1) 异步方式（Asynchronous）：也称“起止同步式”。 串行异步传输数据格式：,（2）同步方式（Synchronous）,串行同步通信信息格式,同步字符（SYN1),同步字符（SYN2),数据（DATA),同步通信的效率（协议开销）,例：SDLC/HDLC帧格式： 假定数据长度为2048位， 通信效率为：2048/（204848）97% 协议开销仅为3 一般公式：SDLC/HDLC协议开销1.0N/(N+48)，其中N为发送数据的比特数。,标志 01111110,地址 8位,控制 8位,CRC 8位,CRC 8位,标志 01111110,数据场,15.5 可编程串行通信接口8251A,Intel 8251A是通用同步/异步收发器USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter） ，它是专为Intel 微处理器设计的，可用作CPU和串行外设的接口电路。 15.5.1 8251A的基本性能 (1) 可用于同步和异步传送。 (2) 同步传送：58位/字符；内部或外部字符同步；可自动插入同步字符。 (3) 异步传送： 58位/字符；时钟速率为通信速率的1、16、64倍。,(4) 异步传送时，可产生中止字符（BreakCharacter）；可产生1、1.5、或2位的停止位；可检测假起始位；可自动检测和处理中止字符。 (5) 波特率：异步：DC-19.2K；同步：DC-64K。 (6) 全双工、双缓冲器发送和接收。 (7) 差错检测：具有奇偶错、溢出错和帧格式错等差错检测电路。 (8) 28脚双列直插式封装。 (9) 全部输入输出与TTL电平兼容；单一+5V电源；单一TTL电平时钟；,Intel 8251A PROGRAMMABLE COMMUNICATION INTERFACE n Synchronous and Asynchronous Operation n Synchronous 5-8 Bit Characters；Internal or External Character Synchronization； Automatic Sync Insertion n Asynchronous 5-8 Bit Characters； Clock Rate-1,16 or 64 Times Baud Rate； Break Character Generation；1,1.5, or 2 Stop Bits； False Start Bit Detection； Automatic Break Detect and Handling； n Synchronous Baud Rate DC to 64K Baud n Asynchronous Baud Rate DC to 19.2K Baud n Full Duplex, double Buffered, Transmitter and Receiver n Error Detection Parity, Overrun and Framing n Fully Compatible with 8080/8085 CPU n 28-Pin DIP Package n All Inputs and Outputs are TTL Compatible n Single + 5V Supply n Single TTL Clock,15.5.2 8251A的结构与引脚功能,1. 8251A 的引脚 8251A有28条引脚，引脚分配如图15.47所示。,8251A,D1,TxD,CLK,RESET,DSR,RTS,DTR,RxC,Vcc,D0,TxEMPTY,CTS,WR,TxC,D7,D6,D5,D4,GND,RxD,D3,CS,RD,C/D,SYNDET/BRKDET,TxRDY,RxRDY,2,1,10,9,8,7,6,5,4,3,2,11,13,12,28,19,20,21,22,23,24,25,26,27,18,15,16,17,14,D2,图 15.47 8251A的引脚信号,2. 8251A的结构和工作原理 8251A的结构方块图如图15.48所示。 由图中可看出8251A可分为5个部分。 (1) 接收器 (2) 发送器 (3) 数据总线缓冲器 (4) 调制解调器控制电路 (5) 读写控制逻辑电路,数据总线 缓冲器,读/写 控制逻辑电路,调制/解调 控制电路,接收控制电路,串并 转换,发送 缓冲器,缓冲器,并串 转换,发送控制电路,RESET,CLK,C/D,RD,WR,CS,DSR,DTR,CTS,RTS,D7-D0,内 部 总 线,TXD,RXD,TXEMPTY,TXC,RXRDY,RXC,SYNDET,TXRDY,发送器,接收器,图 15.48 8251A 内部结构框图,接收,15.5.3 8251A对外接口信号,8251A是CPU与外设之间的接口电路，其对外的接口信号可分为两组： 一组是与CPU的接口信号; 另一组是与外设之间的接口信号(参见图15.49)。,8086,8251A,外设,D7-D0,CLK,译码,CS,AB,M/IO,C/D,RD,RD,WR,WR,TXRDY,TXE,RXRDY,SYNDET,RESET,DTR,DSR,RTS,CTS,TXD,RXD,计数器/ 定时器,RXC,TXC,图 15.49 8251A的对外接口信号,1. 8251A与CPU之间的接口信号 (1) 复位信号RESET (2) 数据线D7D0 (3) 读写控制信号 (4) 收发联络信号,8251A的读/写控制真值表 CS C/D RD WR 操作 0 0 0 1 CPU从8251A读数据 0 0 1 0 CPU往8251A写数据 0 1 0 1 CPU从8251A读状态 0 1 1 0 CPU往8251A写控制命令 0 1 1 D7D0为高阻态 1 D7D0为高阻态,2. 8251A与外设之间的接口信号 有四个Modem控制信号DTR、DSR、RTS和CTS。 另外还有四个信号，如下所述： (1) 接收器时钟RXC (2) 发送器时钟TXC (3) 接收数据线RXD (4) 发送数据线TXD,图3-5 V.24/RS-232C 信号连接与定时关系 a)信号线连接,15.5.4 8251A的编程,8251A的编程包括两个部分，一个是方式指令字，另一个是命令指令字。 前者用来定义8251A的工作方式，它必须紧接在复位后由CPU写入； 后者用来指定芯片的实际操作，只有在写入了方式选择控制字后，才能由CPU写入。 1. 方式指令字 方式指令字的格式如图15.50所示。,00 同步方式 01 异步方式（X1） 10 异步方式（X16） 11 异步方式（X64）,00 字符长度为5位 01 字符长度为6位 10 字符长度为7位 11 字符长度为8位,1 带奇偶校验 0 不带奇偶校验,1 偶校验 0 奇校验,图 15.50 8251A的方式指令字,2. 命令指令字,命令指令字的格式如图15.51所示，它直接让8251A实现某种操作或进入规定的工作状态。,1 进入搜索方式,1 内部复位,1 允许发送,1 数据终端准备好,1 允许接收,1 发送中止字符 0 正常工作,1 清除错误标志,1 请求发送,图 15.51 8251A的命令指令字,3. 状态字,CPU可以在8251A工作过程中利用输入指令读取当前8251A的状态字，从而可以检测接口和数据传输的工作状态。 8251A状态字的格式如图15.52所示。,1 发送器准备好,1 数据通信设备准备好,帧格式错标志,溢出错标志,奇偶错标志,1 接收器准备好,1 发送器空,SYNDET BRKDET,1 已达到同步 0 未达到同步,1 接收到中止字符 0 正常工作,图 15.52 8251A 的状态字,(1) 三个错误标志位PE、OE和FE， PE=1是奇偶校验错；OE=1是溢出错，也称为“超越错”；FE=1是“帧格式错”，它们只对异步方式有效。出现这三种错误时都不中止8251A的工作，它们可以用操作命令字中的ER位来复位。 (2） RXRDY、TXE（TXEMPTY）和SYNDET/BRKDET位与同名引脚的状态含义相同，此处不再重述。 (3) DSR位是数据通信设备准备好状态位， DSR=1表示调制解调器或其他外设已处于准备好状态，此时DSR输入信号有效。,(4) TXRDY是发送器准备好位，它与输出引脚TXRDY的含义有所不同。 TXRDY状态位为“1”只反映当前发送缓冲器已空，而TXRDY输出引脚为“1”时，除发送缓冲器已空外，还需要以CTS=0和TXEN=1为条件，即存在如下逻辑关系： 输出引脚TXRDY为“1”=发送缓冲器空 （CTS=0）（TXEN=1） 通常TXRDY状态位提供CPU查询，而TXRDY引脚的输出信号作为中断请求信号发给CPU。,4. 8251A的初始化及数据传送流程图,8251A的初始化及数据传送流程图如图15.53所示。,输出方式指令字,输出第一个同步字符,异步方式？,是单同步？,RESET,输出第二个同步字符,输出命令指令字,有复位命令否？,传送数据,输出命令指令字或输入状态字,数据完否？,Y,N,N,N,N,Y,Y,Y,图 15.53 8251A 初始化和数据传送流程图,8251A的初始化编程必须在复位操作之后，先设置方式指令字； 如果设定在异步方式，则马上要输出命令指令字进行设置，然后才能进行数据传送； 在数据传送过程中，也可使用命令指令字进行某些操作设置或读取8251A的状态； 在数据传送结束时，若使用IR位为“1”的内部复位命令使8251A复位，则它又可重新接收方式指令字，从而改变工作方式完成其他传送任务。,如果设定8251A工作在同步方式，那么在输出方式指令字后，应紧跟着输出一个同步字符或两个同步字符，然后再输出命令指令字，后面的操作与异步方式相同。,5. 编程举例,(1) 异步方式下的初始化编程 设定8251A工作于异步方式，波特率因子为64，每字符7个数据位，偶校验，2位停止位，则方式指令字为11111011=FBH。 操作命令字的设定，例如使8251A的发送器允许，接收器允许，使状态寄存器中的3个错误标志位复位，使数据终端准备好信号DTR输出低电平，则命令指令字应为00010111=17H。,若8251A的端口地址为50H、51H，则本例初始化程序如下： MOV AL, 0FBH ； 输出方式指令字 OUT 51H, AL MOV AL, 17H ； 输出命令指令字 OUT 51H, AL,(2) 同步方式下的初始化编程举例,8251A工作于同步方式，双同步字符，同步字符设定为16H，内同步，偶校验，每字符7个数据位，则方式指令字为00111000B=38H。 命令指令字设定为10010111B=97H，使发送器允许，接收器允许，使错误标志复位，开始搜索同步字符，并通知调制解调器，数据终端设备已准备就绪。,8251A的端口地址为50H、51H，则本例初始化程序如下： MOV AL, 38H ； 输出方式指令字 OUT 51H, AL MOV AL, 16H ； 输出两个同步字符16H OUT 51H, AL OUT 51H, AL MOV AL, 97H ；输出命令指令字 OUT 51H, AL CPU执行上述程序之后，即完成了对8251A同步方式的初始化编程。,15.5.5 8251A 的应用,1. 利用8251A实现与终端的通信 2. 利用8251A实现双机通信 利用8251A实现相距较近（不超过15米）的两台微机通信，其硬件连接如图15.55所示。,由于是近距离通信，因此不用Modem，两台微机直接通过RS-232C相连即可，且通信双方均作为数据终端设备DTE；由于采用EIA RS-232C接口标准，所以需要加接电平转换电路。 通信时假设对方已准备好，所以可不使用四根联络信号（指DTR,DSR,RTS,CTS)，仅使8251A的CTS接地即可。 甲乙两机可进行半双工或全双工通信。CPU与接口之间可按查询方式或中断方式进行数据传送。 本例采用半双工通信，查询方式，异步传送。,8251A,CTS,DSR,RxD,TxC,RxC,CLK,系统主时钟,TxD,RTS,DTR,CPU总线,时钟电路,甲机,EIA/ TTL 电 平 转 换,2,3,7,2,3,7,DTE,DTE,TxD,TxD,RxD,RxD,EIA/ TTL 电 平 转 换,8251A,CTS,DSR,RxD,TxC,RxC,CLK,TxD,RTS,DTR,系统主时钟,CPU 总线,时钟电路,RS232C接口,图 15.55 利用8251A进行双机通信硬件连接图,乙机,GND,(1) 发送端初始化程序及控制程序如下所示(设在此之前已对8251A进行了复位操作)：,START: MOV DX, 8251A控制端口号 MOV AL, 7AH ； 输出方式指令字，异步方式，7位数据位，1位停止位 OUT DX, AL ； 偶校验，波特率因子为16 MOV AL, 11H ；输出命令指令字，发送器允许，错误标志复位 OUT DX, AL MOV SI, 发送数据块首地址 MOV CX, 发送数据块字节数 NEXT: MOV DX, 8251A控制端口号 IN AL, DX ；输入状态字 TEST AL, 01H ； 查询状态位TXRDY是否为“1” JZ NEXT ； 发送未准备好，则继续查询 MOV DX, 8251A数据端口号 MOV AL, SI ； 发送准备好，则从发送区取一字节数据发送 OUT DX, AL INC SI ； 修改地址指针 LOOP NEXT ； 未发送完，继续 HLT,(2) 接收端初始化及控制程序如下所示(设在此之前已对8251A进行了复位操作)：,BEGIN: MOV DX, 8251A控制端口号 MOV AL, 7AH ； 输出方式指令字 OUT DX, AL MOV AL, 14H ； 输出命令指令字 OUT DX, AL MOV DI, 接收数据块首地址 MOV CX, 接收数据块字节数 L1: MOV DX, 8251A控制端口号 IN AL, DX ； 输入状态字 TEST AL, 02H ； 查询状态位RRDY是否为“1” JZ L1 ； 接收未准备好，则继续查询 TEST AL, 08H ； 检测是否有奇偶校验错 JZ ERR ； 若有错，则转出错处理 MOV DX, 8251A数据端口号 IN AL, DX ； 接收准备好，则接收一个字节 MOV DI, AL ； 存入接收数据区 INC DI ； 修改地址指针 LOOP L1 ； 未接收完，则继续 HLT,8251A初始化的补充说明(关于先写3次“0”的问题）,MOV DX, 2B9H MOV AL, 0 OUT DX, AL ; OUT DX, AL ; OUT DX,