第11讲 微机接口技术(2)-串口8251A

1、1第第9 9章章 微机接口技术（微机接口技术（2 2）串行通信接口苏苏 放放北京邮电大学北京邮电大学 信息与通信工程学院信息与通信工程学院2一、 串行传送的基本概念3串行通信概述串行通信概述 一、一、 串行通信串行通信 n 串行通信的特点：传送线省，成本低，传送时间长串行通信的特点：传送线省，成本低，传送时间长n 串行传送适用于长距离通信系统。串行传送适用于长距离通信系统。4n 串行通信方式：由于串行通信信息在一个方向上传输只占用一串行通信方式：由于串行通信信息在一个方向上传输只占用一根传输线，而这根线上既传送数据，又传送联络信号，为此为区根传输线，而这根线上既传送数据，又传送联络信号，为此为

2、区分这根线传送的信息流中，哪一部分是联络信号，哪一部分是数分这根线传送的信息流中，哪一部分是联络信号，哪一部分是数据，就必须引出串行通信的一系列约定。据，就必须引出串行通信的一系列约定。在串行通信中有在串行通信中有异步通信异步通信和和同步通信同步通信两种基本串行通信方式。两种基本串行通信方式。 5异步通信异步通信 异步通信异步通信ASYNC(Asynchronoue Data Communication)ASYNC(Asynchronoue Data Communication)以字符为单位进行传输，即异步传输方式，是非同步以字符为单位进行传输，即异步传输方式，是非同步传输方式。其通信协议是起

3、止式异步通信协议。传输方式。其通信协议是起止式异步通信协议。异步通信的信息格式由起始位、数据位、校验位、停止异步通信的信息格式由起始位、数据位、校验位、停止位与不固定的空闲位五个部分组成。位与不固定的空闲位五个部分组成。起始位起始位每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0 0电平电平数据位数据位紧跟着起始位传送。由紧跟着起始位传送。由5 58 8个二进制位组成，低位先传送个二进制位组成，低位先传送校验位校验位校验是否传送正确；可选奇检验、偶校验或不传送校验位校验是否传送正确；可选奇检验、偶校验或不传送校验位停止位停止位表示该字符传送结束。停止位采用逻辑表示

4、该字符传送结束。停止位采用逻辑1 1电平，可选择电平，可选择1 1、1.51.5或或2 2位位空闲位空闲位传送字符之间的逻辑传送字符之间的逻辑1 1电平，表示没有进行传送电平，表示没有进行传送空闲空闲起始位起始位.5 8 数据位数据位1/0 1/01/0011/0校验位校验位停止位停止位11空闲空闲起始位起始位6波特率与发送/接收时钟 波特率：单位时间内传送的二进制信号数 16倍波特率收/发时钟的采样过程起始位起始位时钟时钟0/10/1传送数据传送数据0/10/18 816161616检测到起检测到起始位始位检测到有检测到有效起始位效起始位位采样时钟位采样时钟波特率决定数据收发的时钟：波特率决

5、定数据收发的时钟：时钟频率时钟频率N N 波特率波特率波特率系数波特率系数N N1/16/32/641/16/32/64 7同步通信方式同步通信方式 以一个固定长度的字符组成的数据块（帧）为传输单位，每个数据块以一个固定长度的字符组成的数据块（帧）为传输单位，每个数据块附加附加1 1个或个或2 2个同步字符，最后以校验字符结束。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。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

6、议HDLCHDLC。同步字符同步字符较验字符较验字符8同步通信传输步骤同步通信传输步骤 传输开始，接受设备不停检测传输线传输开始，接受设备不停检测传输线测试同步字符是否到来。测试同步字符是否到来。 收到同步字符（约定好的）之后，收方开始接受数据。收到同步字符（约定好的）之后，收方开始接受数据。 接受接受 ：N个字符数据个字符数据 + 校验字符。校验字符。 处理：组合出处理：组合出N个数据字节，查奇偶无错，结束一帧数据传输。个数据字节，查奇偶无错，结束一帧数据传输。 开始检测同步字符，准备接受下一帧数据。开始检测同步字符，准备接受下一帧数据。 注：发送与接受每位都保持完全一致，由时钟信号统一。注

7、：发送与接受每位都保持完全一致，由时钟信号统一。9典型代表为IBM的二进制同步通信协议所有信息都是由字符组成，即只传送字符的ASCII码。为了区别数据信息和控制信息定义了10个特殊字符为控制字符。这些字符在ASCII码中本来就是控制字符（0列或1列）。但如果数据信息的代码和控制字符相同，两者就不能区分。为此引入“转义字符”DEL（编码为00100000）。当数据代码和控制字符相同时，前面加上转义字符DEL。面向字符的同步协议10典型代表为同步数据链路控制规程SDLC靠约定的位组合来传输信息，包括数据信息和控制信息。控制信息的位的组合需要专门定义。只有一个规定的控制标志，即开始和结束标志0111

8、1110。没有定义其他的专用控制字符或控制标志。传输这只要区分作为标志的01111110和作为数据信息的01111110。为此采用对数据信息中出现连续5个1就加一个0的方法来加以区别。接收时再自动去处这个添加的0。面向比特（位）的同步协议11面向比特（位）的同步协议 地址场规定与之通信的次站的地址。控制场可规定若干命令。 信息场：数据。12数据传送的三种模式数据传送的三种模式 1、全双工模式：、全双工模式：数据发送和接受由两根不同的传输线传送，通信双方在同一时刻进行发送和接受数据发送和接受由两根不同的传输线传送，通信双方在同一时刻进行发送和接受2、半双工模式、半双工模式数据的发送和接受由一根传

9、输线传送，通信双方不能同时收发数据的发送和接受由一根传输线传送，通信双方不能同时收发3、单工模式、单工模式数据发送和接受在单一方向上传送数据发送和接受在单一方向上传送13串行输入串行输入/ /输出的软件实现输出的软件实现 1、 软件实现软件实现 串行数据转换成并行数据或反之，完全可由串行数据转换成并行数据或反之，完全可由CPUCPU通过软件来实现，外部只要增加简单的电平转通过软件来实现，外部只要增加简单的电平转换电路即可。换电路即可。 TTYOUTTTYOUT：MOVMOVCLCL，0BH0BH；输出位数；输出位数1010位位MOVMOVALAL，DLDL；OR OR ALAL，ALAL；CF

10、=0CF=0RCLRCLALAL，1 1 ；CFCF送送D0D0，起始位，起始位MOREMORE：OUTOUT02H02H，ALAL；CALL CALL DELAY DELAY ；与波特率相配合；与波特率相配合RCRRCRALAL，1 1；带；带CFCF右移右移STCSTC；CF=1CF=1，停止位，停止位DECDECCLCLJNEJNEMOREMORERETRET14信号的调制与解调15二、串行通信接口标准16串行接口标准 RS-232C接口标准 RS-422接口标准 RS-485接口标准17除了数据链路层协议外，串行通信时还要有物理层的协议，即物理接口标准，主要规定：机械连接标准电气特性的

11、标准信号及其功能定义传输过程的规定串行接口标准18电气特性数据信号： 逻辑1（传号）：-5V -15V 逻辑0（空号）：+5V +15V联络信号（RTS、DSR、DTR、DCD等）： 信号有效（ON状态）：+5V +15V 信号无效（OFF）：-5V -15VRS232接口标准19串行口输出时要加电平转换：RS232接口标准20机械特性最大物理距离为15米（50英尺）通信速度低于20Kbit/s可用DB-25连接器或DB-9连接器注：注： DB-25连接器中实际也只有连接器中实际也只有9条条RS232信号信号线，另外还有线，另外还有4条电流环接口的条电流环接口的4个电流信号。个电流信号。注：码

12、元失真注：码元失真4%（实际可以允许更大失真，距（实际可以允许更大失真，距离可以增大）离可以增大）RS232接口标准21机械特性:25针和9针连接器RS232接口标准22接口信号：TxD：发送数据RxD：接收数据DSR：数据装置（DCE）准备好 DTR：数据终端（DTE）准备好 RTS：请求发送 CTS：允许发送 DCD：数据载波检出RI：振铃指示GND：地线RS232接口标准23 零MODEM方式的标准信号连接RS232接口标准24 采用MODEM时的信号线连接RS232接口标准25三、可编程串行接口芯片8251A26 串行接口原理串行接口原理以异步收发器以异步收发器UART（Univers

13、al Asynchronous Receiver/Transmitter ）为例。）为例。2728一、组成一、组成由三部分组成：由三部分组成：“接收器接收器”用来把串行码转换为并行码；用来把串行码转换为并行码；“发送器发送器”用来把并行码转换为串行码；用来把并行码转换为串行码；“控制器控制器”用来接收用来接收CPU的控制信号，执行的控制信号，执行CPU所要求的操作，并输出状态信息和控制信息。所要求的操作，并输出状态信息和控制信息。二、功能二、功能UART的功能是接收异步串行输入码并将其转换的功能是接收异步串行输入码并将其转换为为CPU所需要的并行码，并将所需要的并行码，并将CPU内部的并行码转

14、换内部的并行码转换为串行码输出。为串行码输出。29UART是用外部时钟来和接收的数据进行同步是用外部时钟来和接收的数据进行同步的。外部时钟的周期的。外部时钟的周期Tc和每个数据位的周期和每个数据位的周期Td有有以下关系：以下关系：Tc=Td/KK=16或或64（K为波特率因子）为波特率因子）外部时钟和接收数据的同步如图所示：外部时钟和接收数据的同步如图所示：3031为了检测长距离传送中可能发生的错误，通常增加为了检测长距离传送中可能发生的错误，通常增加一个奇偶校验位。一个奇偶校验位。 发送时，自动在奇偶校验位上添上发送时，自动在奇偶校验位上添上“1”或或“0”； 接收时，接收时，UART检查字

15、符的每一位以及奇偶校验位的检查字符的每一位以及奇偶校验位的“1”的个数，以确定是否发生传送错误。的个数，以确定是否发生传送错误。3233UART中还设立了各种出错标志：中还设立了各种出错标志：1.奇偶错误（奇偶错误（Parity error）：）：在接收时。在接收时。UART检查接受到的每一个字符的检查接受到的每一个字符的“1”的个数，若不的个数，若不符合要求，则置这个标志，发出奇偶校验出错符合要求，则置这个标志，发出奇偶校验出错信息。信息。 2.帧错误（帧错误（Frame error）：）：若接受的字格式不符若接受的字格式不符合规定合规定( (例如缺少停止位等例如缺少停止位等) )，则置位帧

16、出错标，则置位帧出错标志，发出帧错误信息。志，发出帧错误信息。 3.溢出（丢失）错误（溢出（丢失）错误（Overrun error）34 可编程通信接口可编程通信接口8251A（USART）Intel 8251A USART是通用同步是通用同步/异步接收发送器。异步接收发送器。一、一、8251A的基本性能的基本性能（1）可用于同步和异步传送。）可用于同步和异步传送。（2）波特率：）波特率：DC-19.2K（异步）；（异步）；DC-64K（同步）。（同步）。（3）完全双工、双缓冲器发送器接收器。）完全双工、双缓冲器发送器接收器。（4）误差检测。）误差检测。358251A的结构图与引脚图36二、二

17、、8251A的结构与引脚功能的结构与引脚功能包括包括8251A同同CPU的接口部分的接口部分数据总线缓冲数据总线缓冲器和读写控制逻辑；发送器和接收器及其控制电路。器和读写控制逻辑；发送器和接收器及其控制电路。产生产生RS-232C有关信号的有关信号的MODEM控制电路。控制电路。1. 同同CPU的连接信号的连接信号（1）RESET（2）CLK（3） ，（4）C / （5） （6）D0 D7CSWRRDD372. MODEM控制信号与MODEM相连的控制信号：（1） （Data Terminal Ready） 数据终端准备好（输出，低电平有效）（2） （Data Set Ready） 数据装置准

18、备好（输入，低电平有效）（3） （Request To Send） 请求发送（输出，低电平有效）（4） （Clear To Send） 清除发送信号（输入，低电平有效） DTRDSRRTSCTS383.发送器有关信号（1）TXD：发送数据（2）TXRDY：发送器准备好信号（3）TXE：发送缓冲器（串/并转换器）空标志（4） ：输入控制发送器数据速率的时钟4.接收器有关信号（1）RXD：接收数据（2）RXRDY：接收器准备好标志（3） ：接收时钟（4）SYNDET/BRKDET：同步和间断检测CRXCTX39 三三 8251A的控制字的控制字 1. 方式寄存器方式寄存器 方式寄存器是方式寄存器是

19、8251A在初始化时，用来写入方式选择字用的。在初始化时，用来写入方式选择字用的。方式选择有两种：同步方式和异步方式。方式寄存器有方式选择有两种：同步方式和异步方式。方式寄存器有8位，最位，最低低2位全为位全为0时表示是同步方式，最低时表示是同步方式，最低2位不全为位不全为0时表示是异步时表示是异步方式。具体格式：方式。具体格式： 1) 8251A工作在同步方式下工作在同步方式下 当当825lA工作在同步方式下时，方式寄存器的格式如下图所工作在同步方式下时，方式寄存器的格式如下图所示。示。40图 8251A同步方式下方式寄存器的格式D7SCS同步字符数0: 2个字符1: 1个字符D6ESDD5

20、EPD4PEND3L2D2L1D10D00检验类型0: 奇检验1: 偶检验检验设置0: 无校验1: 有校验全0为同步模式否则为异步模式数据位数同步方式0: 内同步，SDYNDET为输出1: 外同步，SDYNDET为输入00: 5位，01: 6位10: 7位，11: 8位41例如，要求例如，要求825lA作为外同步通信接口，数据位作为外同步通信接口，数据位8位，两个同步字符，偶校验，其方式选择字应：位，两个同步字符，偶校验，其方式选择字应：7CH(01111100B7CH)。422) 8251A工作在异步方式下工作在异步方式下当当8251A工作在异步方式下时，方式寄存器的格式如下图工作在异步方式

21、下时，方式寄存器的格式如下图 所示。所示。图 8251A异步方式下方式寄存器的格式D7S2停止位个数00: 无定义D6S1D5EPD4PEND3L2D2L1D1B2D0B1检验类型0: 奇检验1: 偶检验检验设置0: 无校验1: 有校验01: 1个10: 1.5个11: 2个波特率因子00: 同步模式01: 波特率因子为110: 波特率因子为1611: 波特率因子为64数据位数00: 5位，01: 6位10: 7位，11: 8位43例如，要求例如，要求8251A芯片作为异步通信，波芯片作为异步通信，波特率为特率为64，字符长度，字符长度8位，奇校验，位，奇校验，2个停个停止位的方式选择字应为十

22、六进制的止位的方式选择字应为十六进制的DFH(1101111lBDFH)。44D7EH置“1”为搜索同步字符D6IRD5RTSD4ERD3SBRKD2RXEND1DTRD0TXEN请求发送置“1”后RTS输出0置“1”后8251A内部复位送中止符置“1”后TXD输出0清除错误标志置“1”后清PE、OE、FE1: 接收允许0: 屏蔽1: 发送允许0: 屏蔽数据终端就绪置“1”后DTR 输出02. 控制寄存器控制寄存器对对8251A进行初始化时，按上面的方法写入了方式选择字后，接着要写进行初始化时，按上面的方法写入了方式选择字后，接着要写入的是命令字，由命令字来规定入的是命令字，由命令字来规定82

23、51A的工作状态，才能启动串行通信的工作状态，才能启动串行通信开始工作或置位。开始工作或置位。45注意：注意：调制解调器控制电路的有效电平不是由调制解调器控制电路的有效电平不是由8251A内内部产生，而是通过对控制字的编程来设置，这部产生，而是通过对控制字的编程来设置，这样可便于样可便于CPU与外设直接联系。与外设直接联系。46当对当对8251A初始化时，使用同一个初始化时，使用同一个奇地址奇地址，先写入方式选择字，先写入方式选择字，接着写入同步字符接着写入同步字符(异步方式时不写入同步字符异步方式时不写入同步字符)，最后写入的，最后写入的才是控制字，这个顺序不能改变，否则将出错。才是控制字，

24、这个顺序不能改变，否则将出错。但是，当初始化以后，如果再通过这个奇地址写入的字，都将但是，当初始化以后，如果再通过这个奇地址写入的字，都将进入控制寄存器，因此控制字可以随时写入。进入控制寄存器，因此控制字可以随时写入。如果要重新设置工作方式，写入方式选择字，必须先要将控制如果要重新设置工作方式，写入方式选择字，必须先要将控制寄存器的寄存器的D6位置位置1，也就是说内部复位的命令字为，也就是说内部复位的命令字为40H才能使才能使8251A返回到初始化前的状态。当然，用外部的复位命令返回到初始化前的状态。当然，用外部的复位命令RESET，也可使，也可使825lA复位，而在正常的传输过程中复位，而在正常的传输过程中D6=0。 47D7DSR数据设备就绪后为“1”D6S/BDETD5FED4OED3PED2TXEMPD1RXRDYD0TXRDY发送器就绪为“1”帧格式出错标志，出错为“1”奇偶校验出错标志，出错为“1”接收器就绪为“1”发送器TXEMPTY空为“1”溢出出错标志出错为“1”反映同步方式SYNDET/异步方式BRKDET状态3. 状态寄存器状态寄存器 状态寄存器是反映状态寄存器是反映8251A内部工作状态的寄存器，只内部工作状态的寄存器，只能读出，不能写入。能读出，不能写入。CPU可用可用IN指令来读取