第9章 串行通信及串行接口

1、第第9章章 串行通信与串行接口串行通信与串行接口通用串行总线接口通用串行总线接口USBUSB9.1 串行通信的基本概念计算机与外界的信息交换称为通信。通信的两种基本方式：并行通信和串行通信。并行通信并行通信：数据各位同时在多根传输线上进行传数据各位同时在多根传输线上进行传送的通信方式。送的通信方式。串行通信：串行通信：就是数据在一根传输线上一位一位的就是数据在一根传输线上一位一位的按顺序传送的通信方式按顺序传送的通信方式。并行通信的特点：并行通信的特点：传送速度快，需要多条数据线，造价高；适合于短距离传送。串行通信的特点：串行通信的特点：仅需要一条传输线传输信息，传送速度较低，成本低，适合远距

2、离的信息传输。串行数据通信系统模型串行数据通信系统模型计算机MODEM 信道信道(传输线路传输线路)MODEM计算机计算机 或终端或终端2.2.半双工通信：半双工通信：每次只有一个站发送，即只能由每次只有一个站发送，即只能由A A发送发送到到B B ，或由，或由B B发送到发送到 A A ，不能，不能A A和和B B同时发送。同时发送。3. 3. 全双工通信：全双工通信： 同时两个站都能发送。同时两个站都能发送。站站A A站站B B站站A A站站B B（一）（一） 数据的传送方向数据的传送方向 通常数据传送可分为：通常数据传送可分为： 1.1.单工通信：单工通信： 只允许一个方向传输数据。只允

3、许一个方向传输数据。站站A A站站B B2. 信道的带宽信道的带宽 信道是电信号通过的路径，信道是电信号通过的路径，信道传输信号的频率范围称信道传输信号的频率范围称为信道的带宽（为信道的带宽（Bandwidth）。）。 信道的带宽由信道的带宽由 传输媒体；传输媒体； 有关的附加设备；有关的附加设备； 共同决定共同决定 信号的频率；信号的频率； 带宽的衡量带宽的衡量 通常用一个信道的截止频率来衡量。通常用一个信道的截止频率来衡量。 截止频率：截止频率：当一些频率信号通过时当一些频率信号通过时,对某个频率信号产生对某个频率信号产生较大衰减的频率。较大衰减的频率。 1. 信道信道信号传输的通道，包括

4、传输媒体及有关信号传输的通道，包括传输媒体及有关的中间通信设备。的中间通信设备。 有线信道的传输媒体有架空线、有线信道的传输媒体有架空线、同轴电缆、光导纤维等，考虑到传输同轴电缆、光导纤维等，考虑到传输 时信号产生时信号产生衰减，每隔一定距离要设置中继器等放大设备。衰减，每隔一定距离要设置中继器等放大设备。（二）（二） 信道的带宽和传输速率信道的带宽和传输速率3. 传输速率传输速率 指一个信道每秒钟传送的二进制的位数。指一个信道每秒钟传送的二进制的位数。 （bit per second bps） 波特率波特率 信道的最大传输速率受信道的带宽的限制。异步信道的最大传输速率受信道的带宽的限制。异步

5、通信传输速率为通信传输速率为 50 9600 bps。（三）（三） 信号的调制与解调信号的调制与解调 计算机的通信是要求传送数字信号，而在进行远程数据通信时，线路往往是借用现有的公用电话网，但是，电话网是为音频模拟信号的设计的。一般为3003400Hz，不适合于数字信号。因此需要对二进制信号进行调制调制，以适合在电话网上传输相应的音频信号，在接收时，需要进行解调解调，还原成数字信号。调制：调制：所调调制就是进行波形变换。或者说进行频谱变换，所调调制就是进行波形变换。或者说进行频谱变换，就是将基带数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输就是将基带数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的频谱

6、。的频谱。解调：解调： 将已经调制的信号恢复成原来的数字信号的过程。将已经调制的信号恢复成原来的数字信号的过程。作用作用: :调制器调制器(Modulator)(Modulator)是一个波形变换器,它将基带数字的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。解调器（解调器（DemodulatorDemodulator）是一个波形识别器,将模拟信号恢复成原来的数字信号。调制器解调器010010010010调制方法调制方法: :最基本的调制方法有以下几种：（1 1）调幅（）调幅（AMAM）即载波的振幅随基带数字信号而变化. “1”对应有载波 “0” 对应无载波（2 2）调频（）调频（FMFM） 即载波频率

7、随数字信号而变化 “0”对应”f1” “1”对应“f2”(3)(3)调相（调相（PMPM） 即载波初始相位随基带数字信号而变化. “ 0”对应相位0度 “1”对应相位180度f1f2FMAM0 1 0 0 1 10度180度PM(四四) 串行通信的串行通信的类型类型 在数据通信中，传输的对象是一系列的在数据通信中，传输的对象是一系列的 0，1 ，这些，这些 0，1 在不同的位置有不同的在不同的位置有不同的 含义，这含义，这些含义都要事先约定好。些含义都要事先约定好。 在串行通信中，有两种最基本的通信方式在串行通信中，有两种最基本的通信方式 ： 异步通信方式异步通信方式 同步通信方式同步通信方式

8、1. 异步串行通信异步串行通信 在发送一个字符时，包含一个起始位，若干数据在发送一个字符时，包含一个起始位，若干数据位，一个奇偶校验位，位，一个奇偶校验位，12位停止位。位停止位。00/1 0/10/11 1 1起始位起始位 1位位 数据位数据位 5、6、7、8位不等位不等校验位校验位 1位位 停止位停止位 1、1.5、2 位不等位不等空闲位空闲位一个帧结构一个帧结构 起始位：起始位：用来通知接收器已经开始字符传送。接收器收到这用来通知接收器已经开始字符传送。接收器收到这个信号后，开始装配一个字符。个信号后，开始装配一个字符。 目的目的 是接收器和发送器能够同步工作。是接收器和发送器能够同步工

9、作。 终止位：终止位：保证下一个字符的起始位在通信线路上能够同步工作。保证下一个字符的起始位在通信线路上能够同步工作。 奇偶校验位：奇偶校验位：检验数据的正确性。检验数据的正确性。低位低位高位高位例如：例如： 传送一个字符传送一个字符 “E” ，（，（ASCASC码为：码为：1000101B = 45H1000101B = 45H） 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1起始位起始位数据位数据位校验位校验位停止位停止位空闲位空闲位停止位停止位异步通信方式异步通信方式是按是按字符字符传输的，传输的，每每个字符包含一个个字符包含一个起始位，若干数据位，一个奇偶校验位，起始位，若

10、干数据位，一个奇偶校验位，12位停止位停止位。位。从一个字符到下一个字符之间，没有固定的时从一个字符到下一个字符之间，没有固定的时间间隔，故称之为间间隔，故称之为异步传输方式异步传输方式。 它的传输，靠起它的传输，靠起始位的起始信号，使发、收双方在一个字符的传输始位的起始信号，使发、收双方在一个字符的传输时间内保持同步，以保证正确接收。时间内保持同步，以保证正确接收。 2. 同步通信同步通信方式方式 在异步通信中，每一个字符要用起始位和停止位标在异步通信中，每一个字符要用起始位和停止位标志字符传输的开始与结束，占用了时间。志字符传输的开始与结束，占用了时间。 在同步传输中，去掉这些控制位，把字

11、符顺序地连在同步传输中，去掉这些控制位，把字符顺序地连接起来，组成一个数据块，这样的数据块称为一个记录。接起来，组成一个数据块，这样的数据块称为一个记录。 在纪录的开始加同步字符，在纪录的末尾加出错校验字在纪录的开始加同步字符，在纪录的末尾加出错校验字符，形成符，形成帧帧。同步字符同步字符同步字符同步字符数据数据数据数据数据数据校验码校验码 校验码校验码同步字符的格式和个数根据需要而定。同步字符的格式和个数根据需要而定。 在同步方式中，接收器接收数据时，首先搜索同在同步方式中，接收器接收数据时，首先搜索同步字符，在得到同步字符后，才开始装配数据。步字符，在得到同步字符后，才开始装配数据。同步传

12、送的速度高于异步，但它要求用同同步传送的速度高于异步，但它要求用同步时钟来实现发送端和接收端之间的同步时钟来实现发送端和接收端之间的同步，故硬件复杂。步，故硬件复杂。 同步方式常用于：同步方式常用于： 计算机到计算机之间的通信；计算机到计算机之间的通信； 计算机到计算机到CRT/CRT/外设之间的通信。外设之间的通信。 同步通信方式是以帧帧为单位进行数据传输的，在帧的开始加同步字符，在帧的末尾加出错校验字符，它要求用同步时钟来实现发送端和接收端之间的同步，故称之为同步传输方式。（五）（五） 串行通信的校验方法串行通信的校验方法 串行通信主要适用于远距离通信，因而噪声和干扰较串行通信主要适用于远

13、距离通信，因而噪声和干扰较大，为了保证高效而无差错地传送数据，对传送的数大，为了保证高效而无差错地传送数据，对传送的数据进行校验就成了串行通信中必不可少的重要环节。据进行校验就成了串行通信中必不可少的重要环节。 常用的校验方法有：常用的校验方法有：奇偶校验、循环冗余校验（奇偶校验、循环冗余校验（CRCCRC）发送时：在每一个字符的最高位后都附加一个奇偶校验位；发送时：在每一个字符的最高位后都附加一个奇偶校验位；接收时：检查所接收的字符连同奇偶校验位，若接收时：检查所接收的字符连同奇偶校验位，若“1” 1” 的个的个数不符合规定，则传输错，由数不符合规定，则传输错，由CPUCPU进行处理。进行处

14、理。1.1.奇偶校验奇偶校验奇校验：奇校验：当实际数据中当实际数据中“1”1”的个数为偶数的时候的个数为偶数的时候，这个校验位就是，这个校验位就是“1”1”，否则这个校验位就是，否则这个校验位就是“0”0”。偶校验：偶校验：当实际数据中当实际数据中“1”1”的个数为偶数的时候的个数为偶数的时候，这个校验位就是，这个校验位就是“0”0”，否则这个校验位就是，否则这个校验位就是“1”1”。2. 2. 循环冗余校验（循环冗余校验（CRCCRC） 它对一个数据块进行校验，主要用于同步方式。它对一个数据块进行校验，主要用于同步方式。 计算机计算机MODEMMODEM计算机计算机 或终端或终端 信道（传输

15、线路）信道（传输线路）串行接口串行接口串行接口串行接口要进行串行通信，还要解决一个问题：计算机与要进行串行通信，还要解决一个问题：计算机与MODEM怎样连接？怎样连接？ 通过串行接口电路连接。通过串行接口电路连接。 为了使不同的计算机、外部设备都能正确连接，这为了使不同的计算机、外部设备都能正确连接，这个接口的：个接口的： 机械特性、电气特性、功能特性机械特性、电气特性、功能特性 都都要遵循一定的规范，也就是要有一个标准。要遵循一定的规范，也就是要有一个标准。 目前常用的标准是目前常用的标准是 RS-232C 标准，另外还有标准，另外还有 RS-422、RS-423、RS-449等标准。等标准

16、。 （七）（七） RS-232C接口标准接口标准 RS-232C最初是为了使用最初是为了使用公用电话网公用电话网进行数据通信而进行数据通信而制定的标准。制定的标准。 在发送端：通过调制解调器将表示为在发送端：通过调制解调器将表示为“1”、“0”的高低的高低电平，转换成相应的高低电平，转换成相应的高低 频率的模拟信号，发送到频率的模拟信号，发送到公用电话网。公用电话网。 在接受端：通过调制解调器，将公用电话网上的高低在接受端：通过调制解调器，将公用电话网上的高低 频率的模拟信号，转换成相应的表示为频率的模拟信号，转换成相应的表示为“1”、“0” 高高低电平，发送到终端。低电平，发送到终端。 RS

17、-232C提供了一个利用电话网通过提供了一个利用电话网通过MODEM把远距把远距离设备连接在一起完成通信的技术规范。离设备连接在一起完成通信的技术规范。 计算机计算机MODEMMODEM计算机计算机 或终端或终端 信道（传输线路）信道（传输线路）RS-232CRS-232C 随着计算机的发展，除了上述连接，随着计算机的发展，除了上述连接，也可用也可用 RS-232C 使计算机与终端直接相连。使计算机与终端直接相连。计算机计算机终端终端RS-232C RS-232C 提出了数据终端设备（提出了数据终端设备（DTC）和数据通信设备）和数据通信设备（DCE）之间串行）之间串行 传输数据的接口规范，对

18、接口的机传输数据的接口规范，对接口的机械特性、电器特性、功能特性做了规定。械特性、电器特性、功能特性做了规定。 机械特性：机械特性：标准规定了使用一个标准规定了使用一个25针标准连接器（插头针标准连接器（插头座），或座），或9针标准连接器（插头座），并对连接器的尺针标准连接器（插头座），并对连接器的尺寸寸, 每个针的排列位置做了明确规定。每个针的排列位置做了明确规定。 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14l图9-1 DB-25型连接器 电气特性：电气特性：标准规定，标准规定，采用负逻辑采用负逻辑 逻辑

19、逻辑“1”信号，电平在信号，电平在 3V -15V 之间；之间； 逻辑逻辑“0”信号，电平在信号，电平在 +3V +15V 之间；之间； 因此，使用因此，使用RS-232C与微机接口时，需要将与微机接口时，需要将TTL电平电平（0 5V）与）与RS-232C电平（电平（EIA电平）进行转换。可电平）进行转换。可用现成的转换芯片（如用现成的转换芯片（如MC1488、MC1489等）转换。等）转换。 标准规定了标准规定了RS-232C能连接的最大距离为能连接的最大距离为 15 m。 最大传输速率为最大传输速率为 20k bps。串行传送，数据是一位一位传送的：串行传送，数据是一位一位传送的： 发送

20、时：发送时：将并行数据转换为串行的输出；将并行数据转换为串行的输出； 接收时：接收时：将串行数据转换成并行的，再进行处理。将串行数据转换成并行的，再进行处理。 目前，大多采用目前，大多采用串行接口芯片串行接口芯片来完成上述的转来完成上述的转换工作。换工作。 外部时钟的周期外部时钟的周期TC和数据位传送的周期和数据位传送的周期Td之间的关系之间的关系如下：如下： TC =Td / K 其中，其中，K=16 ，32 或或 64。例：某串口的发送时钟频率为例：某串口的发送时钟频率为19200Hz，波特率因子，波特率因子为为16，则发送器波特率为：，则发送器波特率为：19200/16=1200（波特）（波特）9.2 可编程串行接口芯片可编程串行接口芯片8251A1. 8251A是通用的同步/ 异步接收发送器,其主要功能有：可用于同步和异步传送。 对于同步传送，可选择每个字符的数据位数（58位/字符）。 对于异步传送，可选择每个字符的数据位数（58位/字符），时钟频率为波特率的1、16或64倍，可产生1、1.5或2个位的停止位。 波特率： 对同步传送 064K 对异步传送 019.2K