湖大微机原理及其应用_第8章

1、 第第8章章串行通信接口串行通信接口 串行通信的基本概念串行通信的基本概念 串行通信的接口标准串行通信的接口标准 1655016550可编程串行接口芯片可编程串行接口芯片 了解微机串行通信的基本概念了解微机串行通信的基本概念 了解了解RS-232C，RS485以及以及USB等几种等几种串行接口标准及其用法串行接口标准及其用法 掌握掌握16550芯片的接口技术及程序设计芯片的接口技术及程序设计 通信：通信：计算机与外部设备之间、计算机之计算机与外部设备之间、计算机之间的信息交换。间的信息交换。 通信的基本方式通信的基本方式并行通信并行通信串行通信串行通信异步通信异步通信同步通信同步通信8.1.1

2、 串行通信的连接方式串行通信的连接方式图8.1 串行通信的3种连接方式发送器A发送器接收器发送器接收器发送器接收器接收器发送器接收器B数据线数据线数据线数据线AB数据线数据线数据线数据线AB8.1.2 信号的调制与解调信号的调制与解调 MODEM是由调制器和解调器合在一起合在一起形成的一个装置，以用作双向通信。 MODEM的类型一般可分为幅移键控幅移键控（ASK）、频频移键控移键控（FSK）和相移键控相移键控（PSK）等。 当通信波特率小于小于300bit/s时，常采用FSK调制方式。 8.1.3 同步与异步通信方式同步与异步通信方式1. 1. 异步通信方式（异步通信方式（ASYNCASYNC

3、）第n+1个字符第n个字符空闲位起始位停止位7位数据位空闲位起始位01 1 110D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 图图8.3 异步通信字符格式异步通信字符格式 （1 1）起始位起始位：一位，逻辑一位，逻辑0 0，表示字符的开始；，表示字符的开始； 通信时以收发一个字符为独立的通信单位，每个通信时以收发一个字符为独立的通信单位，每个字符由字符由4 4个部分组成：个部分组成：（2 2）数据位数据位： 可以是可以是58位逻辑位逻辑0/逻辑逻辑1， 与双方约定的编码形式有关，如与双方约定的编码形式有关，如:ASCII码码(7位位)， 扩展的扩展的BCD码（码（8位）等，位）等， 起始位之后紧

4、跟着的是数据的最低位起始位之后紧跟着的是数据的最低位D0。（3 3）奇奇/ /偶校验位偶校验位：一位逻辑一位逻辑0/逻辑逻辑1。（4 4）停止位停止位：1位或位或1.5位或位或2位逻辑位逻辑1，表示字符的结，表示字符的结束束 。 2. 同步通信方式（同步通信方式（SYNC） 在异步通信中，每个字符都要用起始位和停止位来使在异步通信中，每个字符都要用起始位和停止位来使通信双方同步，这些附加的额外信息，使得异步通信的传通信双方同步，这些附加的额外信息，使得异步通信的传输效率不高。输效率不高。 在需传输大量数据的场合，为提高传输效率和速度，在需传输大量数据的场合，为提高传输效率和速度，常去掉这些附加

5、位，即采用同步通信常去掉这些附加位，即采用同步通信SYNC （Synchronous data Communication） 同步字符同步字符数据块数据块CRC1CRC2同步字符同步字符2数据块数据块CRC1CRC2同步字符同步字符1a.a.单同步格式单同步格式b.b.双同步格式双同步格式 为了防止因收、发双方的时钟频率的偏差的为了防止因收、发双方的时钟频率的偏差的积累效应积累效应而产生错位，而产生错位，从而导致通信出错，同步通信要求接收和发送的时钟完全同步，不能从而导致通信出错，同步通信要求接收和发送的时钟完全同步，不能有误差。有误差。 实际应用中，同步传送常在收、发双方间使用实际应用中，同

6、步传送常在收、发双方间使用同一时钟同一时钟，故硬件电，故硬件电路比较路比较复杂复杂。对每个字符的检错一般可用对每个字符的检错一般可用奇校验奇校验，数据块的末尾用，数据块的末尾用CRC（循环冗循环冗余码余码）对整个数据块进行校验）对整个数据块进行校验。收、发双方以一个或两个收、发双方以一个或两个预先约定预先约定的同步字符作为数据块传送的同步字符作为数据块传送的开的开始，数据块由几十到几千，甚至始，数据块由几十到几千，甚至更多更多字节组成字节组成。 8.1.4 波特率与收波特率与收/发时钟发时钟1. 波特率波特率 串行通信中常用波特率串行通信中常用波特率(Baud rate)(Baud rate)

7、来表示来表示数据传输率数据传输率， 波特率的单位是波特率的单位是bit/sbit/s，即每秒所传送的即每秒所传送的二进制位数二进制位数。 常用的标准值有常用的标准值有110110，300300，600600，12001200，24002400，48004800， 96009600，1920019200波特等。波特等。 某异步通信中每秒传送某异步通信中每秒传送960个字符，而每个字符个字符，而每个字符由由10位（位（1个起始位、个起始位、7个数据位、个数据位、1个奇校验位、个奇校验位、1个停止位）组成，则传送的波特率为：个停止位）组成，则传送的波特率为： fd=10960bit/s=9600bi

8、t/s传送一位的时间：传送一位的时间：Td=1/9600=0.104ms例如例如: 2.接收接收/ /发送时钟发送时钟 异步通信中，大多数串行端口发送和接收的波特异步通信中，大多数串行端口发送和接收的波特率均可分别设置，由发送器和接收器各用一个时钟来率均可分别设置，由发送器和接收器各用一个时钟来确定，分别称为确定，分别称为发送时钟发送时钟和和接收时钟接收时钟。 为了有利于收发双方同步，以及提高抗干扰的能为了有利于收发双方同步，以及提高抗干扰的能力，这两个力，这两个时钟频率时钟频率fc一般不等于一般不等于波特率波特率fd，两者之间，两者之间的关系为：的关系为： 其中，其中，k k称为波特率系数，

9、其取值可为称为波特率系数，其取值可为1616，3232或或6464。 一个完整的串行通信系统除了对上一节所介一个完整的串行通信系统除了对上一节所介绍的通信规程有所规定外，还必然会涉及到在绍的通信规程有所规定外，还必然会涉及到在电电气连接气连接上的接口标准问题。上的接口标准问题。 标准化的通用总线结构能使系统标准化的通用总线结构能使系统结构化结构化、模块模块化化，大大简化系统软、硬件设计的工作，因此被，大大简化系统软、硬件设计的工作，因此被普遍采用普遍采用。 下面是三种常用的串行接口标准。下面是三种常用的串行接口标准。 8.2.1 RS-232C接口标准接口标准 RS-232C是是1969年由美

10、国年由美国EIA( (电子工业协会电子工业协会) )颁发的颁发的串行总线串行总线标准标准, ,其中其中RS是是Recommended Standard的缩写的缩写, ,232是标是标准的标识号。准的标识号。 RS-232C主要用于主要用于模拟信道传输数字信号模拟信道传输数字信号的场合，的场合，推出这种标准的最初目的是在数据终端设备（推出这种标准的最初目的是在数据终端设备（DTEDTE）与数据通信设备（与数据通信设备（DCE)DCE)之间建立之间建立接口接口标准。标准。DTEDTE（Data Terminal EquipmentData Terminal Equipment）DCEDCE（Dat

11、a Communication EquipmentData Communication Equipment）计算机计算机串串行行接接口口UART调制调制解调解调器器ModemDTEDCE控制控制发送发送接收接收调制调制解调解调器器Modem串串行行接接口口UART计算机计算机控制控制接收接收发送发送DTEDCERS-232CRS-232C电话线电话线图8.5 RS-232C的典型应用 1.1.机械特性机械特性 引脚号引脚号信号名称信号名称缩写缩写传送方向与功能说明传送方向与功能说明25脚9脚23发送数据发送数据TXDDTE DCE ， 输出数据到输出数据到Modem32接收数据接收数据RXDD

12、TE DCE， 由由Modem输入数据输入数据47请求发送请求发送RTSDTE DCE， DTE请求发送数据请求发送数据58清除发送清除发送CTSDTE DCE， Modem表明同意发送表明同意发送66数据传输就绪数据传输就绪DSRDTE DCE， 表明表明Modem已准备就绪已准备就绪75信号地信号地GND无方向，无方向， 所有信号的公共地线所有信号的公共地线81载波检测载波检测DCDDTE DCE， Modem正在接收载波信号正在接收载波信号204数据终端就绪数据终端就绪DTRDTE DCE， 通知通知Modem ,DTE已准备好已准备好229振铃指示振铃指示RIDTE DCE, 表明表明

13、Modem已收到拨号呼叫已收到拨号呼叫TXD（Transmitted Data）：发送数据，发送数据， DTE通过通过TXD将串行数据发送到将串行数据发送到Modem。 RXD（Received Data）：接收数据，接收数据， DTE通过通过RXD接收从接收从Modem来的串行数据来的串行数据。 RTS（Request to Send）： 用来表示用来表示DTE请求请求DCE发送数据。发送数据。CTS（Clear to Send）： 用来表示用来表示DCE已准备好，可以为已准备好，可以为DTE发送数发送数 据，此信号是对据，此信号是对RTS的响应信号。的响应信号。 RTS/CTS是一对是一对

14、握手联络握手联络信号，用于采用信号，用于采用Modem的的半双工半双工系统中作发送系统中作发送/接收方式之间的接收方式之间的切换切换。 DSR（Data communication equipment Set Ready)表示表示Modem已准备就绪已准备就绪DTR（Data Terminal Ready）： DTE用来通知用来通知Modem，已准备就绪，可以接收已准备就绪，可以接收数据。数据。 DCD（DataCarrier Detection）： 用来表示用来表示Modem正在接收来自对方正在接收来自对方Modem的的载波载波信号，通知信号，通知DTE准备接收数据。准备接收数据。RI（Ri

15、nging Indicator）： 通知通知DTE、Modem已收到电话交换机送来的已收到电话交换机送来的振铃振铃呼叫信号，使用公用电话线时要用此信号。呼叫信号，使用公用电话线时要用此信号。 (1) (1) 远距离时的连接远距离时的连接计算机计算机串串行行接接口口UART调制调制解调解调器器ModemTXDRXD调制调制解调解调器器Modem串串行行接接口口UART计算机计算机电话线电话线图8.6 采用Modem时RS-232C信号线的使用 RTSCTSDSRDTRDCDRIGNDTXDRTSCTSDTRDSRDCDRIGNDRXD(2) (2) 近距离时的连接近距离时的连接 GNDRXD T

16、XDTXD RXD计计 2算算 3机机 7UART3 计计2 算算7 机机UARTCTSDSRDTRDCDRTSGNDDSRDTRDCDCTSRTSTXD RXDRXD TXD 2计计 3 4算算 5 8机机 20 6 732 计计45 算算820 机机67 图图8.7 零零Modem方式的最简单连接方式的最简单连接8.2.2 RS-485 接口标准接口标准1. RS-422A 接口标准接口标准RS-232C最大的缺点是最大的缺点是 ： 2. RS-485 接口标准接口标准图图8.12 RS-485与与RS-422的连接形式比较的连接形式比较8.2.3 USB 接口标准接口标准1. USB 的

17、特点的特点 （1 1）为所有的带有）为所有的带有USBUSB接口的外设提供了连接到接口的外设提供了连接到计算机的计算机的单一单一的，的，易于操作易于操作的标准连接方式的标准连接方式 （2 2）支持）支持“即插即用即插即用” （3 3）支持）支持热热插拔插拔 （4 4）提供多种速率以适应不同类型的设备，提供多种速率以适应不同类型的设备，USB1.0USB1.0版的数据传输率分为版的数据传输率分为1.51.5Mb/sMb/s低速传输和低速传输和1212Mb/sMb/s全速传输两种，全速传输两种，USB2.0USB2.0版的速率则可高达版的速率则可高达480480Mb/sMb/s。 （5）占用主机资

18、源）占用主机资源少少却支持却支持多设备多设备的连接，的连接，USB采用星形层次结构和采用星形层次结构和Hub技术，理论上允许技术，理论上允许最多支持最多支持127台物理外设的连接，而总共只占用相当于一台传台物理外设的连接，而总共只占用相当于一台传统设备所需的统设备所需的资源资源（I/O端口地址、中断口等）。端口地址、中断口等）。 （6）可为低功耗外设）可为低功耗外设提供提供电源，可提供电源，可提供+5V电电压，压，500mA电流电流的电源的电源 。1. USB 的特点的特点2. USB 系统的硬件结构系统的硬件结构3. USB 系统的软件结构系统的软件结构USB设备驱动程序设备驱动程序USB驱

19、动程序驱动程序主控制器驱动程序主控制器驱动程序 位于USB系统软件的最上层最上层，是USB系统软件与USB应用程序的接口，用来实现对特定特定的USB设备（如：显示器等）的管理和驱动。 用来实现USB总线的驱动驱动、带宽的分配分配、管道的建立建立和控制管道的管理管理等功能，通常操作系统（如Windows 98）可提供USB驱动程序。 用来管理和控制管理和控制USB主控制器硬件硬件，一般USB主控制器是一个可编程的硬件接口，其驱动程序则用来实现与主控制器通通信信以及对其控制控制等功能。 4. USB 的传输方式的传输方式 USB是一种协议总线。是一种协议总线。 这里介绍其中的传输方式这里介绍其中的

20、传输方式： 5. USB 设备开发简介设备开发简介这里仅对这里仅对作简单介绍。作简单介绍。 （1）： 常见常见USB接口芯片有，接口芯片有，Philips公司的公司的PDIUSBD12芯片，芯片，National Semiconductor公公司的司的USBN9602芯片，以及芯片，以及Lucent公司的公司的USB820/825等。等。 优点优点:可以基于用户自己可以基于用户自己熟悉熟悉的单片机，的单片机，利用现有的单片机开发系统进行开发利用现有的单片机开发系统进行开发. 缺点：缺点：硬件设计较复杂，调试麻烦。硬件设计较复杂，调试麻烦。 （2）: 即带有即带有USB接口的单片机。接口的单片机

21、。 如与如与Intel 8051 单片机兼容的单片机兼容的EZ-USB（Cypress公司），它在公司），它在8051单片机上所集成单片机上所集成的智能的智能USB引擎可以完成引擎可以完成USB协议所规定的协议所规定的80%以上的以上的通信工作通信工作，大大地，大大地减轻减轻了了USB设备设备开发人员的开发工作量。开发人员的开发工作量。 缺点：需要购买缺点：需要购买新的新的开发系统，开发系统，投资投资较大较大。 8.3.1 16550的功能描述的功能描述8.3.2 16550的引脚及其功能的引脚及其功能 SIN、SOUT：串行数据信号，分别用于：串行数据信号，分别用于接收接收串行数据和串行数据

22、和发发送送串行数据。串行数据。 RTS：请求发送，输出，表明请求发送，输出，表明16550希望发送希望发送数据给数据给Modem。 DTR：数据终端准备好，输出，通知：数据终端准备好，输出，通知Modem，表明，表明16550已已准准备就绪。备就绪。 DCD：载波检测，输入，表明：载波检测，输入，表明Modem已收到数据已收到数据载波信号载波信号。 RI：振铃指示，输入，表明：振铃指示，输入，表明Modem 已收到电话线上的已收到电话线上的振铃信振铃信号。号。 DSR：数据通信装置准备好，输入，是对：数据通信装置准备好，输入，是对DTR的的应答信号应答信号，表明表明Modem已准备就绪。已准备

23、就绪。 CTS：允许发送，输入，是对：允许发送，输入，是对RTS的的应答信号应答信号，表明，表明Modem已作好接收数据的准备，已作好接收数据的准备，16550可以发送数据。可以发送数据。 8.3.3 16550的内部可编程寄存器及控制字格式的内部可编程寄存器及控制字格式。 WL0WL1STBPENEPSSPSBRKDLABDROEPEFEBITHTEER 11030012002400480096001920038400576001152001047338409604802401206030201028H0FH03H01H00H00H00H00H00H00HE9H00HC0HE0HF0H78H

24、3CH1EH14H0AHDTRRTSOUT1OUT2Loop000 DCTSDDSRTERIDDCDCTSDSRRIDCD ERETELEM0000IPID0ID100000 ENREVCXMITDMA00RT2RT18.3.4 16550的初始化编程的初始化编程 16550INTROUT2&8259A的IRi MOV DX，03FBH ；DX指向指向16550的的通信线控制通信线控制寄存器地址寄存器地址MOV AL，80H ；置；置DLAB=1OUT DX，AL MOV DX，03F8H ；除数寄存器；除数寄存器（低字节）（低字节）地址地址MOV AL，78H ；对应波特率为；对应波

25、特率为9600的除数为的除数为0078HOUT DX，AL ；送除数低字节；送除数低字节INC DX ；指向除数寄存器；指向除数寄存器（高字节）（高字节）地址地址MOV AL，0 OUT DX，AL ；送除数高字节；送除数高字节MOV AL，0EH ；通信控制寄存器控制字；通信控制寄存器控制字：0DLAB；7位位数据数据MOV DX，03FBH ；奇奇校验，校验，2个个停止位停止位OUT DX，AL MOV DX，03FAH ；DX指向指向FIFO控制寄存器控制寄存器MOV AL，87H ；FIFO控制字：控制字：允许允许FIFO并并清除清除接收器和发送器接收器和发送器 ；FIFO，设置接收器，设置接收器FIFO中有中有8个个字节时申请