微机系统与接口：第五讲(4) 数字量输入输出-串行通信

1、串行通信接口,教学重点 异步串行通信协议和RS232C接口 8250的内部结构和编程 异步通信编程举例,串行通信基础,串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号线，一位一位顺序传送的方式 串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在远距离通信时可以极大地降低成本 串行通信适合于远距离数据传送，也常用于速度要求不高的近距离数据传送 PC系列机上有两个串行异步通信接口、键盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送,RxD,目 的,TxD,源,0 1 0 0 1 0 1 1 (4BH,RxD,TxD,GND,GND,串行I/O：逐位串行方式（先低后高,异步通信,串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传

2、送 收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题 串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协议是起止式异步通信协议,起止式异步通信协议,数据传输速率,数据传输速率也称比特率（Bit Rate） 每秒传输的二进制位数bps 字符中每个二进制位持续的时间长度都一样，为数据传输速率的倒数 当进行二进制数码传输，且每位时间长度相等时，比特率还等于波特率（Baud Rate） 过去，串行异步通信的数据传输速率限制在50 bps到9600 bps之间。现在，可以达到115200 bps或更高,同步通信,以一个数据块（帧）为传输单位，每个数据块附加

3、1个或2个同步字符，最后以校验字符结束 同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路比较复杂 串行同步通信主要应用在网络当中 最常使用高级数据链路控制协议HDLC,传输制式,全双工,站A,站B,站A,站B,站A,站B,半双工,单工,调制解调器,调制（Modulating） 把数字信号转换为电话线路传送的模拟信号 解调（Demodulating） 将电话线路的模拟信号转换为数字信号 调制解调器MODEM 具有调制和解调功能的器件合制的一个装置,串行接口标准RS-232-C,美国电子工业协会EIA制定的通用标准串行接口 1962年公布，1969年修订 1987年1月正式改名为EIA-232D

4、RS-232-C标准对下述两个方面作了规定： 1、信号电平标准 2、控制信号的定义,RS-232-C的电气特性,RS-232C规定的信号电平标准 逻辑”1”为-3V-15V 逻辑”0”为+3V+15V 实际常用12V,标准TTL电平（输出） 逻辑”1”：2.4V5V 逻辑”0”：0V0.4V,相互转换,MC1489长线接收器(RS232=TTL,Quad line receivers,TTL电平,RS232电平,5V,MC1488 长线驱动器(TTL = RS232,Quad Line Driver(+12V/-12V,12V,12V,TTL电平,RS232电平,长线收发器Tranceiver

5、,ICL232 MAX232,SN75176: RS485/422,单5V电源,TTL,RS232,RS-232-C的信号定义,232C接口标准使用一个25针连接器(DB25) 绝大多数设备只使用其中9个信号，所以就有了9针连接器(DB9,RS-232-C的主要信号定义（1,TxD：发送数据 串行数据的发送端 RxD：接收数据 串行数据的接收端,RS-232-C的主要信号定义（2,RTS：请求发送（出） 当数据终端设备准备好送出数据时，就发出有效的RTS信号，用于通知数据通信设备准备接收数据 CTS：清除发送（允许发送）（入） 当数据通信设备已准备好接收数据终端设备的传送数据时，发出CTS有效

6、信号来响应RTS信号 RTS和CTS是数据终端设备与数据通信设备间一对用于数据发送的联络信号,DTR：数据终端准备好（出） DSR：数据装置准备好（入） DTR和DSR也可用做数据终端设备与数据通信设备间的联络信号，例如应答数据接收,RS-232-C的主要信号定义（3,GND：信号地 为所有的信号提供一个公共的参考电平 DCD：载波信号检测（入） 当本地调制解调器接收到来自对方的载波信号时，该引脚向数据终端设备提供有效信号 RI：振铃指示（入） 当调制解调器接收到对方的拨号信号期间，该引脚信号作为电话铃响的指示、保持有效,保护地（机壳地） 起屏蔽保护作用的接地端，一般应参照设备的使用规定，连接

7、到设备的外壳或大地 TxC：发送器时钟 控制数据终端发送串行数据的时钟信号 RxC：接收器时钟 控制数据终端接收串行数据的时钟信号,RS-232C的连接,微机利用232C接口连接调制解调器，用于实现通过电话线路的远距离通信 微机利用232C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，所以被称为零调制解调器（Null Modem）连接,连接调制解调器,电话线,MODEM,微机(DB25,2 3 4 5 6 7 8 20 22,2 3 4 5 6 7 8 20 22,MODEM,2 3 4 5 6 7 8 20 22,数据装置准备好DSR,数据终端准备好DTR,发送数据TxD,接收数据R

8、xD,请求发送RTS,允许发送CTS,信号地GND,载波检测DCD,振铃指示RI,微机,2 3 4 5 6 7 8 20 22,不使用联络信号的3线相连方式,为了交换信息，TxD和RxD应当交叉连接 程序中不必使RTS和DTR有效，也不检测CTS和DSR是否有效,伪”使用联络信号的3线相连方式,RTS和CTS各自互接，DTR和DSR各自互接 表明请求传送总是允许、数据装置总准备好,使用联络信号的多线相连方式,通信比较可靠，所用连线较多，不如前者经济,异步串行通信控制器接口芯片Ins8250,1M10M时钟频率 PC/XT机: 外接1.8432MHZ,8250的内部结构,8250实现了起止式串行

9、异步通信协议，支持全双工通信 通信字符可选择数据位为58位 停止位1、1.5或2位 可进行奇偶校验 具有奇偶、帧和溢出错误检测电路,Ins8250内部结构,数据总线缓冲,CS0,CS1,CS2,A2,A1,A0,ADS,DISTR,DISTR,DOSTR,DOSTR,DDIS,MR,D0D7,内部数据总线,发送保持寄存器,接收缓冲寄存器,发送移位寄存器,接收移位寄存器,Sout,Sin,线路控制寄存器,线路状态寄存器,MODEM控制寄存器,MODEM状态寄存器,RCLK,XTAL1,XTAL2,BAUDOUT,控制逻辑,RTS,CTS,DTR,DSR,RLSD,RI,中断允许寄存器,中断识别寄

10、存器,控制逻辑,OUT1,OUT2,INTRPT,中断,MODEM,1M10M,握手线,UART,UART内部结构示意,发 送 位 移 寄 存 器,发 送 数 据 缓 冲 器,TxD,RDA,接 收 位 移 寄 存 器,接 收 数 据 缓 冲 器,RxD,OVRN,UART,RxC,TxC,DATA_BUS,接收时钟,FRERR,发送时钟,TBE,控制逻辑,RESET,WR,RD,CS,溢出错误,帧格式错误,校验错误PE,8250的引脚信号介绍,分成连接CPU的部分和连接外设的部分 注意：8250不是Intel公司的产品，所以该芯片引脚名称与前面学习的8253、8255等Intel产品有所不同

11、，但是引脚功能却是类似的,1.与外设连接的信号,数据装置准备好/DSR,数据终端准备好/DTR,发送数据SOUT,接收数据SIN,请求发送/RTS,允许发送/CTS,信号地GND,载波检测/DCD,振铃指示/RI,8250,2.与处理器连接的信号引脚,D0D7 数据线 A0A2 地址线 CS0、CS1、/CS2 片选线 CSOUT 片选输出信号 /ADS 地址选通信号 DISTR /DISTR 数据输入选通, CPU从8250内部寄存器读出数据,相当于I/O读信号 DOSTR /DOSTR 数据输出选通，CPU将数据写入8250内部寄存器,相当于I/O写信号,MR 复位信号线 INTRPT 中

12、断请求信号输出：8250有4级共10个中断源，当任一个 未被屏蔽的中断源有请求时，INTRPT输出高电平向CPU 请求中断 XTAL1 XTAL2 时钟输入引脚和时钟输出引脚： /BAUDOUT 波特率输出引脚,其频率是发送波特率的16倍 RCLK 接收时钟引脚, 接收外部提供的接收时钟信号；若采用发 送时钟作为接收时钟，则只要将RCLK引脚和/BAUDOUT 引脚直接相连 /OUT1和/OUT2 两个一般用途的输出信号,由芯片内部调制控制寄存器的 D2和D3使其输出低电平有效信号,复位使其恢复为高 DDIS 驱动器禁止信号输出, CPU从8250读取数据时，DDIS引 脚输出低电平，用来禁止

13、外部收发器对系统总线的驱 动；其他时间，DDIS为高电平,PC/XT中未用,异步通信适配器接口电路介绍,IBM PC/XT机的串行异步通信适配器 以8250为核心 完成发送时的并转串和接收时的串转并以及相应的控制工作 配置了TTL电平与EIA电平转换电路等,异步通信适配器的部分接口电路,RCLK BAUDOUT,IRQ4 IRQ3 RESET,5V,A8,AEN A3A7A9,IOR IOW A0A2,MR XTAL1,OUT1 OUT2 INTRPT,DISTR DOSTR A0A2 CS2,8250,LS245,D0D7,D0D7,J9 J10 J11 J12,DIR,1.8432MHz,

14、CS0 CS1,ADS DISTR DOSTR,5V,注意：J9J12跨接器 和OUT2*的作用,适配器端口地址译码,A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 I/O地址 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 3F8H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3FFH 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 2F8H 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2FFH,J12通,J10通,8250的寄存器,8250内部有9种可访问的寄存器，除数寄存器是16位的，占用两个连续的8位端口 内部寄存器用引脚A0A2来寻址；同时还要利用通信线路控制寄存器的最高位，即除数寄存器访问位D

15、LAB，来区别共用两个端口地址的不同寄存器（P336表5.10,INS8250内部寄存器地址,A2 A1 A0 DLAB COM1 寄存器 000 0 3F8 写发送寄存器/读接收寄存器 000 1 3F8 除数寄存器低字节 001 1 3F9 除数寄存器高字节 001 0 3F9 中断允许 010 x 3FA 中断识别 011 x 3FB 线路控制 100 x 3FC MODEM控制 101 x 3FD 线路状态 110 x 3FE MODEM 状态 111 x 3FF 不用,1.接收缓冲寄存器RBR,并行数据,检测接收错误 去除起始位、 校验位、停止位,串行数据,CPU,接收缓冲寄存器,接

16、收移位寄存器,同步控制,8250,SIN,双缓冲寄存器结构保证数据的连续接收,2.发送保持寄存器THR,CPU,发送保持寄存器,发送移位寄存器,同步控制,8250,SOUT,双缓冲寄存器结构保证数据的连续发送,3.除数寄存器,除数寄存器保存设定的分频系数 分频系数（除数）外部时钟频率（16波特率,起 始 位,时钟 （RCLK,数据线 （SIN,T,16 T,16 T,8 T,4.通信线路控制寄存器LCR,指定串行异步 通信的字符格式,寄存器选择 0 正常值 1 除数寄存器,中止字符 0 无作用 1 发送中止字符,校验位设置 0 无校验位 001 设置奇校验 011 设置偶校验 101 校验位为

17、1 111 校验位为0,停止位个数 0 1位 1 1.5位（数据位为5位时） 1 2位（数据位为68位时,数据位个数 00 5位 01 6位 10 7位 11 8位,5.通信线路状态寄存器LSR（P338图5.58,为1，表示发送移位寄存器空；当数据由发送保持寄存器移入发送移位寄存器时，该位为0,提供串行异步通信的当前状态供CPU读取和处理,为1，表示发送保持寄存器空，当CPU将字符写入发送保持寄存器后，该位为0,为1，表示正在传输中止字符,为1，表示出现帧错误,为1，表示出现溢出错,为1，表示接收数据缓冲器收到一个数据，即接收数据准备好；当CPU读走数据后，该位为0,为1，表示出现奇偶错,6

18、.调制解调器控制寄存器MCR（P339图5.59,DTR,OUT2,LOOP,RTS,OUT1,0 0 0,为1使/OUT2引脚为低否则为高,为1使/OUT1引脚为低否则为高,为1使/RTS引脚为低否则为高,为1使/DTR引脚为低否则为高,为1使8250为自诊断工作方式否则为正常工作方式,设置8250与数据通信设备之间联络应答的输出信号,7.调制解调器状态寄存器MSR（P339图5.60,反映4个控制输入信号的当前状态及其变化 MSR高4位中某位为1，说明相应输入信号当前为低有效，否则为高电平 MSR低4位中某位为1，则说明从上次CPU读取该状态后，相应输入信号已发生改变，从高变低或反之 MC

19、R低4位任一位置1，可产生调制解调器状态中断 当CPU读取该状态寄存器或复位后，低4位被清零,RLSD RI DSR CTS RLSD RI DSR CTS,8.中断允许寄存器IER,中断允许寄存器的低4位控制8250这4级中断是否被允许 某位为1，则对应的中断被允许 某位为0，则对应的中断被屏蔽 8250设计有2个中断寄存器和4级中断 4级中断的优先权，是按照串行通信过程中事件的紧迫程度安排的、是固定不变的 用户可利用中断允许或禁止进行控制,接收数据错,MODEM 状态变化,0 0 0 0,发送寄存器空,接收数据就绪,D7,D4,D3,D2,D1,D0,4级中断,接收线路状态中断 奇偶错、溢

20、出错、帧错和中止字符 接收器数据准备好中断 发送保持寄存器空中断 调制解调器状态中断 清除发送状态改变 数据终端准备好状态改变 振铃接通变成断开 接收线路信号检测状态改变,优先权高,优先权低,4级10种中断源,9.中断识别寄存器IIR,保存正在请求中断的优先权最高的中断级别编码 *IRR寄存器的内容仅可以读出 *复位后D0=1,其余位为0,IP,ID1 ID0,0 0 0 0 0,0 有中断 1 无中断,异步通信适配器的初始化编程,对8250的内部控制寄存器进行编程写入 写入除数寄存器 设置波特率 写入通信线路控制寄存器 设置字符格式 写入调制解调器控制寄存器 设置工作方式 写入中断允许寄存器

21、 设置中断允许或屏蔽位,异步通信编程举例 （P340,初始化编程 ；设置波特率为2400 （P338表5.11） MOV DX, 3FBH ;线路控制寄存器地址 MOV AL, 80H OUT DX, AL ；DLAB=1, 设置写除数标志 MOV DX, 3F9H ；高位除数寄存器 MOV AL, 0 OUT DX, AL MOV DX, 3F8H ；低位除数寄存器 MOV AL, 30H OUT DX, AL,设置数据格式 ；数据长7位，1个停止位，偶校验 MOV DX, 3FBH ；注意DLAB=0 MOV AL, 00011010B OUT DX, AL ;设置操作方式，不用中断 ；/

22、OUT2=1,/DTR=0,/RTS=0 MOV DX, 3FCH ;MODEM控制寄存器 MOV AL, 00000011B ;设置/RTS、 /DTR有效 OUT DX, AL MOV DX, 3F9H ；中断允许寄存器 MOV AL, 0 ；屏蔽全部中断 OUT DX, AL,查询式通信 ；发送字符在CL中，若收到字符，暂存于AL KEEP_TRY:MOV DX,3FDH ;读线路状态寄存器端口 IN AL,DX TEST AL,00011110B ；检查出错否 JNZ ERROR_ROUTINE ；转出错处理 TEST AL, 00000001B ；检查收到新数否 JNZ RECEIV

23、E ；转接收 TEST AL,00100000B ； 检查可否发送数据 JZ KEEP_TRY ；重新检查 MOV DX,3F8H MOV AL,CL ；发送数据 OUT DX,AL JMP SHORT KEEP_TRY RECEIVE: MOV DX,3F8H ;接收数据 IN AL,DX,INS8250内部寄存器地址,A2 A1 A0 DLAB COM1 寄存器 000 0 3F8 写发送寄存器/读接收寄存器 000 1 3F8 除数寄存器低字节 001 1 3F9 除数寄存器高字节 001 0 3F9 中断允许 010 x 3FA 中断识别 011 x 3FB 线路控制 100 x 3F

24、C MODEM控制 101 x 3FD 线路状态 110 x 3FE MODEM 状态 111 x 3FF 不用,4.通信线路控制寄存器LCR,指定串行异步 通信的字符格式,寄存器选择 0 正常值 1 除数寄存器,中止字符 0 无作用 1 发送中止字符,校验位设置 0 无校验位 001 设置奇校验 011 设置偶校验 101 校验位为1 111 校验位为0,停止位个数 0 1位 1 1.5位（数据位为5位时） 1 2位（数据位为68位时,数据位个数 00 5位 01 6位 10 7位 11 8位,6.调制解调器控制寄存器MCR（P339图5.59,DTR,OUT2,LOOP,RTS,OUT1,0 0 0,为1使/OUT2引脚为低否则为高,为1使/OU