微机原理13_串行接口8251ok剖析

1、第十三章第十三章 串行接口串行接口8251及其应用及其应用串行通信接口串行通信接口 异步通信协议和异步通信协议和RS232C接口接口 8251的内部结构和编程的内部结构和编程 异步通信程序异步通信程序串行通信基础串行通信基础 串行通信：将数据分解成二进制位用一条串行通信：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

2、传送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盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送一、一、 异步通信异步通信 串行通信时的数据、控制和状态信息都使串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送用同一根信号线传送 收发双方必须遵守共同的通信协议（通信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、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，其串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信

3、协议是通信协议是起止式异步通信协议起止式异步通信协议1. 起止式异步通信协议起止式异步通信协议 起始位每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平起始位起始位校验位校验位停止位停止位空闲位空闲位数据位数据位低位低位高位高位字符字符0/10/1 0/10/10/10/10/10/11 10 01 11 11 1数据位数据位数据位紧跟着起始位传送。数据位紧跟着起始位传送。由由58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用于校验是否传送正确；可用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不传送校验位选择奇检验、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。停止表示该字符

4、传送结束。停止位采用逻辑位采用逻辑1电平，可选择电平，可选择1、1.5或或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电平，电平，表示没有进行传送表示没有进行传送数据传输率数据传输率 每秒传输的二进制位数，单位为每秒传输的二进制位数，单位为bps（bit per second ）也称也称比特率比特率。 波特率波特率每秒传输的每秒传输的“符号符号”（也称离散状态）（也称离散状态）的个数。的个数。【例如，每秒传送例如，每秒传送1个符号，则波特率为个符号，则波特率为1波特波特】 在计算机中，一个在计算机中，一个“符号符号”的含义为的含义为高、低两种高、低两种电平电平，分别代表逻辑值，分别

5、代表逻辑值“1”和和“0”，所以每个符，所以每个符号的信息量为号的信息量为1比特，此时波特率与比特率刚好一比特，此时波特率与比特率刚好一致。致。 但在其他一些场合（例如通信中采用的但在其他一些场合（例如通信中采用的“相一幅相一幅”复复合调制技术合调制技术)一个一个“符号符号”的信息含量就不是一个比特，的信息含量就不是一个比特，此时，此时，波特率就不等于波特率就不等于比特率。比特率。 标准标准 波特率系列：波特率系列：50，75，110，150，300，600，1200，2400, 4种相位（种相位（0，90，180，270）每种相位有两种振幅值每种相位有两种振幅值实现实现 3位位/波特波特 调

6、制调制9001800002700001101011111000100110010 现在的现在的电话网是模拟通信系统，它是为传输话音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，必信息而设计的。要在电话网上传送数字信号，必须经过须经过调制调制和和解调解调。 实现调制和解调两个过程的设备称为实现调制和解调两个过程的设备称为“调制解调调制解调器器”（Modulator DemodulatorModem） 方法：方法：选取音频范围某一频率的正（余）弦模拟选取音频范围某一频率的正（余）弦模拟信号作为信号作为载波载波，用以运载所要传送的数字信号。，用以运载所要传送的数字信号。

7、要用传送的数字信号改变载波信号的要用传送的数字信号改变载波信号的幅值、频率幅值、频率或相位或相位，使之在信道上传送；到达信道另一端，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。再将数字信号从载波中取出。3. 调制与解调调制与解调000001111数字信号数字信号(a)调幅按数字信号的按数字信号的值改变载波信值改变载波信号的幅度号的幅度(b)调频按数字信号的按数字信号的值改变载波信值改变载波信号的频率号的频率 (c)调相按数字信号的按数字信号的值改变载波信值改变载波信号的相位号的相位4. 发送时钟和接收时钟发送时钟和接收时钟 （串行数据输出）RxCTxCTxD数据输入寄存器输入移

8、位寄存器1，16，32数据输出寄存器输出移位寄存器1，16，32CLK(主时钟)（串行数据输入）输入移位脉冲输出移位脉冲接收时钟发送时钟RxD除数寄存器除数寄存器5. 起始位的检测起始位的检测起始检测起始检测确定已检测到起始位确定已检测到起始位采样数据采样数据起起 始始 位位时钟时钟（RCLK）数据线数据线（SIN）T16 T16 T8 T数据接收时钟频率是数据传输频率的16倍正确识别起始位，防止因干扰引起的误识别6. 波特率因子波特率因子F（时钟频率）（时钟频率）波特率因子波特率因子波特率波特率 波特率因子波特率因子：数据传输率：数据传输率（波特率）（波特率）与时钟频率与时钟频率之间的比例系

9、数之间的比例系数 给定时钟频率，选择不同的给定时钟频率，选择不同的波特率因子波特率因子可得到不可得到不同的波特率。同的波特率。例如：例如：f = 19.2 kHz，若选波特率因子为，若选波特率因子为16，则波特，则波特率为率为1200 bps。8251外部的时钟电路CLK 8253 OUT1，16，1MHzN分频19.2KHz移位脉冲若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对时钟频率时钟频率的的要求。要求。例：例：12001619200（时钟频率）（时钟频率）若外部时钟电路的频率若外部时钟电路的频率F1Mhz，需用计数器，需用计数器8253分频，分频，

10、试计算分频系数（试计算分频系数（8253的计数初值）？的计数初值）？计数初值计数初值N时钟频率（波特率波特率因子）时钟频率（波特率波特率因子）思考思考二、同步通信二、同步通信 以一个数据块（帧）为传输单位，每个数据以一个数据块（帧）为传输单位，每个数据块附加块附加1个或个或2个同步字符，最后以校验字符个同步字符，最后以校验字符结束结束 同步通信的数据传输效率和传输速率较高，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但硬件电路比较复杂 串行同步通信主要应用在网络当中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最常使用高级数据链路控制协议HDLC同步字符同步字符数据数

11、据数据数据数据数据校验字符校验字符标志01111110地址8位控制8位CRC8位CRC8位标志01111110数据场循环冗余校验码与纠错原理循环冗余校验码与纠错原理 循环冗余校验码循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Checksum,CRC)是常用的信道编码方式，广泛应用于帧校验。是常用的信道编码方式，广泛应用于帧校验。 设要传送的设要传送的k位信息码为位信息码为(mk-1,mk-2,m1,m0) 所对应的多项式为：所对应的多项式为： M(x)=mk-1xk-1+ mk-2xk-2+m1x+m0 将其左移将其左移r=n-k位，相当于位，相当于M(x)乘以乘以xr得得xn-k M

12、(x) 引入一个引入一个r位的生成多项式位的生成多项式g (x)，可有：，可有： xn-k M(x)/ g (x)=S (x) + r (x) )/ g (x) ；模；模2除除 r (x)就被称之为就被称之为CRC校验码多项式校验码多项式 定义传送码字定义传送码字 C (x) =xn-k M(x)+ r (x) 这样组成的这样组成的k+r位多项式必被位多项式必被g (x) 整除整除循环冗余校验码与纠错原理循环冗余校验码与纠错原理 CRC检错方法：检错方法： 发送方发送信息码，并将其与发送方发送信息码，并将其与g (x) 相除，得到相除，得到r (x) 后，将其系数拼在后面发给接收方；后，将其系

13、数拼在后面发给接收方； 接收方收到接收方收到c (x)后，将其与后，将其与g (x) 相除，最后被整相除，最后被整除表示除表示 所接收到的数据完全正确；不能被整除所接收到的数据完全正确；不能被整除表示数据传输出错。表示数据传输出错。 CRC检错码的检错能力与其生成多项式检错码的检错能力与其生成多项式g (x) 密密切相关，切相关， g (x) 一般形式为：一般形式为： g(x)=xn-k+ gn-k-1xn-k-1+g1x+1 g (x)的首项系数为的首项系数为1，末项系数也必须为，末项系数也必须为1， g (x)的次数越高，其检错能力越强。的次数越高，其检错能力越强。 CRC国际上通行的国际

14、上通行的CRC码生成多项式有：码生成多项式有： CRC-ITU-T： g(x)=x16+ x12+ x5 +1 CRC-12： g(x)=x12+ x11+ x3 + x2 + x + 1 CRC-16： g(x)=x16+ x15+ x2 +1 CRC-32： g(x)=x32+ x26+ x23 + x22 + x16 + +x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1 CRC-12码通常用来传送码通常用来传送6bit字符串，字符串， CRC-16 和和CRC-ITU-T码则多用来传送码则多用来传送8bit字符，字符， CRC-16为美国

15、采用，为美国采用， CRC-ITU-T码为欧洲国家采用码为欧洲国家采用， CRC-32码多被用在点对点通行中。码多被用在点对点通行中。传输制式传输制式全双工全双工站站A站站B站站A站站B站站A站站B半双工半双工单工单工三、串行接口标准三、串行接口标准RS-232C 美国电子工业协会美国电子工业协会EIA制定的通用标准串行接口制定的通用标准串行接口 1962年公布，年公布，1969年修订年修订 1987年年1月正式改名为月正式改名为EIA-232D 设计目的是用于连接调制解调器设计目的是用于连接调制解调器 现已成为数据终端设备现已成为数据终端设备DTE（例如计算机）与数据通信设（例如计算机）与数

16、据通信设备备DCE（例如调制解调器）的标准接口（例如调制解调器）的标准接口 可实现远距离通信，也可近距离连接两台微机可实现远距离通信，也可近距离连接两台微机 属于网络层次结构中的最低层：物理层属于网络层次结构中的最低层：物理层RS-232C的引脚定义的引脚定义 232C接口标准使用接口标准使用一个一个25针连接器针连接器 绝大多数设备只使绝大多数设备只使用其中用其中9个信号，个信号，所以就有了所以就有了9针连针连接器接器 232C包括两个信道：包括两个信道：主信道和次信道主信道和次信道 次信道为辅助串行次信道为辅助串行通道提供数据控制通道提供数据控制和通道，但其传输和通道，但其传输速率比主信道

17、要低速率比主信道要低得多，其他跟主信得多，其他跟主信道相同，通常较少道相同，通常较少使用使用串行通信的接口标准串行通信的接口标准TXDTransmit Data 发送数据发送数据RXDReceive Data 接收数据接收数据SGSignal Ground 信号地信号地DSRData Set Ready 数据通信设备数据通信设备准备准备好（例如调制解调器）好（例如调制解调器）DTRData Terminal Ready 数据终端设备准备好数据终端设备准备好 (如微机接口电路如微机接口电路8250/8251) 准备好准备好RTSRequest To Send DTE 请求发送请求发送CTSCle

18、ar To Send 清除（允许）发送清除（允许）发送,该信号是对该信号是对RTS信号的回答信号的回答DCDCarrier Detect 数据载波检出数据载波检出当本地数据设备收到对方当本地数据设备收到对方数据数据设备送来的载波信号时，使设备送来的载波信号时，使DCD有效，通知数据终端准备接收，并且由本地数据设备将接收到有效，通知数据终端准备接收，并且由本地数据设备将接收到的载波信号解调为数字信号，经的载波信号解调为数字信号，经RXD线送给线送给数据终端设备数据终端设备。RIRing Indicate振铃信号振铃信号当本地数据设备收到交换机送来的振铃呼叫信号时，使该信号当本地数据设备收到交换机

19、送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效，通知数据终端设备已被呼叫。有效，通知数据终端设备已被呼叫。RS-232C的连接的连接 调制解调器方式调制解调器方式 微机利用微机利用232C接口连接调制解调器，用于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实现通过电话线路的远距离通信 空空MODEM方式方式 微机利用微机利用232C接口直接连接进行短距离通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，所以被信。这种连接不使用调制解调器，所以被称为零调制解调器（称为零调制解调器（Null Modem）连接）连接连接调制解调器连接调制解调器电话线电话线MODEM微机微机234567820222

20、3456782022MODEM23456782022数据装置准备好数据装置准备好DSRDSR数据终端准备好数据终端准备好DTRDTR发送数据发送数据TxDTxD接收数据接收数据RxDRxD请求发送请求发送RTSRTS允许发送允许发送CTSCTS信号地信号地GNDGND载波检测载波检测CDCD振铃指示振铃指示RIRI微机微机23456782022不使用联络信号的不使用联络信号的3线相连方式线相连方式微机微机TxDRxDGND微机微机为了交换信息，为了交换信息，TxD和和RxD应当交叉连接应当交叉连接程序中不必使程序中不必使RTS和和DTR有效有效也不应检测也不应检测CTS和和DSR是否有效是否有

21、效 “伪伪”使用联络信号的使用联络信号的3线相连方式线相连方式RTS和和CTS各自互接，各自互接，DTR和和DSR各自互接各自互接表明请求传送总是允许、数据装置总准备好表明请求传送总是允许、数据装置总准备好微机微机DSRDTRTxDRxDRTSCTSGND微机微机使用联络信号的多线相连方式使用联络信号的多线相连方式通信比较可靠通信比较可靠所用连线较多，不如前者经济所用连线较多，不如前者经济微机微机DSRDTRTxDRxDRTSCTSGND微机微机RS-232C的电气特性的电气特性 232C接口采用接口采用EIA电平电平 高电平为高电平为3V15V 低电平为低电平为3V15V 实际常用实际常用1

22、2V或或15Vn标准标准TTL电平电平n高电平：高电平：2.4V5Vn低电平：低电平：0V0.4V相互转换相互转换TTL电平电平RS-232C电平：电平：MC1488RS-232C电平电平TTL电平：电平：MC1489四、通用异步接收发送器四、通用异步接收发送器8251 串行传输，需要并行到串行或串行到并行的串行传输，需要并行到串行或串行到并行的转换，并按照传输协议发送和接收每个字符转换，并按照传输协议发送和接收每个字符（或数据块）（或数据块） 这些工作可由软件实现，也可用硬件实现这些工作可由软件实现，也可用硬件实现 通用异步接收发送器通用异步接收发送器UART是串行异步通信是串行异步通信的接

23、口电路芯片的接口电路芯片 典型芯片如：典型芯片如： Intel 8251，Zilog SIO，Motorola ACIA 后来使用后来使用NS165501. 串行数据的发送串行数据的发送并行数据并行数据加入起始位、加入起始位、校验位、停止位校验位、停止位串行数据串行数据CPU发送数据寄存器发送数据寄存器发送移位寄存器发送移位寄存器同步控制同步控制8251SOUT0/10/1 0/10/10/10/10/10/1双缓冲寄存器结构双缓冲寄存器结构保证数据的连续发送保证数据的连续发送2. 串行数据的接收串行数据的接收并行数据并行数据检测接收错误检测接收错误删除起始位、删除起始位、校验位、停止位校验位

24、、停止位串行数据串行数据CPU接收缓冲寄存器接收缓冲寄存器接收移位寄存器接收移位寄存器同步控制同步控制8251SIN0/10/1 0/10/10/10/10/10/1双缓冲寄存器结构保证数据的连续接收3. 接收错误的处理接收错误的处理 奇偶错误奇偶错误PE（Parity Error） 若接收到的字符的若接收到的字符的“1”的个数不符合奇偶校验要求的个数不符合奇偶校验要求 帧错误帧错误FE（Frame Error） 若接收到的字符格式不符合规定（如缺少停止位）若接收到的字符格式不符合规定（如缺少停止位） 溢出错误溢出错误OE（Overrun Error） 若接收移位寄存器接收到一个数据，并送至输

25、入缓冲若接收移位寄存器接收到一个数据，并送至输入缓冲器时，器时，CPU还未取走前一个数据，就会出现数据溢出还未取走前一个数据，就会出现数据溢出 若接收缓冲器的级数多，则溢出错误的几率就少若接收缓冲器的级数多，则溢出错误的几率就少8251的内部结构的内部结构8251A的读的读/写控制真值表写控制真值表8251A规定：规定：复位后的第一个控制命令是复位后的第一个控制命令是方式选择控制字方式选择控制字 8251A方式选择控制字方式选择控制字 操作命令控制字直接让操作命令控制字直接让8251A实现某种操作或进实现某种操作或进入规定的工作状态，它只有在设定了方式选择控入规定的工作状态，它只有在设定了方式

26、选择控制字后，才能由制字后，才能由CPU写入。写入。8251A操作命令控制字操作命令控制字 CPU可在可在8251A工作过程中利用输入指令读取当前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的状态字，从而可以检测接口和数据传输的工作状态。工作状态。8251A的状态字的状态字8251A初始初始化和数据传化和数据传送流程图送流程图8251编程示例编程示例例：编写例：编写8251异步模式下的接收和发送程序，完异步模式下的接收和发送程序，完成成256个字符的发送和接收，设端口地址：个字符的发送和接收，设端口地址：208H，209H，波特率因子，波特率因子16，1起始位，起始位，1停止位，无奇停止位，无奇偶校验，每字符偶校验，每字符8位。位。发送数据发送数据256字节，放在字节，放在OUTBUF中中Data segmentOUTBUF DB xx, xx, xx,. ；共；共256字节字节Data ends MOV DX，209H MOV AL，40H；复位命令。；复位命令。 OUT DX，AL MOV AL，01001110B ；模式