串行通信接口技术(教材配套)

1、1 第第9 9章章 串行通信接口技术串行通信接口技术2主要内容主要内容n串行通信基本原理串行通信基本原理n可编程串行异步通信接口可编程串行异步通信接口8250n通用串行总线通用串行总线USBnIEEE-1394串行接口串行接口39.19.1串行通信基本原理串行通信基本原理4一、计算机串行通信基础一、计算机串行通信基础n随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重要。的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重要。计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。计算机之间的信息交

2、换。n通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。串行通信方式。5并行通信并行通信q并行通信：通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送。具有控制简单、传输速度快的特点；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。 6串行通信串行通信q 是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。q串行通信的特点：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。 并行与串行通信的示意图并行与串行通信的

3、示意图7串行异步通信与串行同步通信串行异步通信与串行同步通信所谓所谓“同步同步”就是互相通信的双方协调发送和接收之间就是互相通信的双方协调发送和接收之间的动作的动作。为了实现同步，互相通信的双方必须就数据。为了实现同步，互相通信的双方必须就数据传输方式、同步控制方式、差错处理、应答方式和信传输方式、同步控制方式、差错处理、应答方式和信号格式等问题作出共同遵守的一组规定，这种规定称号格式等问题作出共同遵守的一组规定，这种规定称为通信协议。为通信协议。目前串行通信中数据传输的同步方法有两种，目前串行通信中数据传输的同步方法有两种，异步方式异步方式和同步方式和同步方式，相应有异步通信协议和同步通信协

4、议。，相应有异步通信协议和同步通信协议。异步通信协议异步通信协议1、串行异步通信时的数据格式、串行异步通信时的数据格式 异步方式通信异步方式通信ASYNC（Asynchronous Data Communication），又称起止式异步通信，是计算），又称起止式异步通信，是计算机通信中最常用的数据信息传输方式。它是以字符为机通信中最常用的数据信息传输方式。它是以字符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求，而每个字符中的各位则以固定的时间传送。收、发，而每个字符中的各位则以固定的时间传送。收、发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位

5、双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。在一个有效字符正式发送前，发送器先发和停止位。在一个有效字符正式发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。串行再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。串行异步传输时的数据格式如下图所示。异步传输时的数据格式如下图所示。9从图中可以看到以下几点：从图中可以看到以下几点： 起始位：起始位必须是持续一个比特时间的逻辑起始位：起始位必须是持续一个比特时间的逻辑“0”电电平，标志传送一个字符的开始。平，标志传送一个字符的开始。 数据位：数

6、据位为数据位：数据位为5-8位，它紧跟在起始位之后，是被位，它紧跟在起始位之后，是被传送字符的有效数据位。传送时先传送字符的低位，后传送字符的有效数据位。传送时先传送字符的低位，后传送字符的高位。数据位究竟是几位，可由硬件或软件传送字符的高位。数据位究竟是几位，可由硬件或软件来设定。来设定。 奇偶位：奇偶校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶奇偶位：奇偶校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶校验，也可以不设奇偶位。校验，也可以不设奇偶位。 停止位：停止位为停止位：停止位为1位、位、1.5位或位或2位，可有软件设定。位，可有软件设定。它一定是逻辑它一定是逻辑“1”电平，标志着传送一个字符的结束。电平，标

7、志着传送一个字符的结束。 空闲位：空闲位表示线路处于空闲状态，此时线路上空闲位：空闲位表示线路处于空闲状态，此时线路上为逻辑为逻辑“1”电平。空闲位可以没有，此时异步传送的效率电平。空闲位可以没有，此时异步传送的效率为最高。为最高。 串行异步通信时的数据接收串行异步通信时的数据接收 串行异步通信时，接收方串行异步通信时，接收方不断地检测或监视串行输入线上的电平变化，当检测不断地检测或监视串行输入线上的电平变化，当检测到有效起始位出现时，便知道接着是有效字符位的到到有效起始位出现时，便知道接着是有效字符位的到来，并开始接收有效字符，当检测到停止位时，就知来，并开始接收有效字符，当检测到停止位时，

8、就知道传输的字符结束了。经过一段随机时间间隔之后，道传输的字符结束了。经过一段随机时间间隔之后，又进行下一个字符的传送过程。又进行下一个字符的传送过程。通常接收端的采样时钟周期要比传输字符的位周期短，通常接收端的采样时钟周期要比传输字符的位周期短，常用的采样时钟频率为位频率的常用的采样时钟频率为位频率的16倍，采取这种措施倍，采取这种措施是为了提高抗干扰能力。接收器的采样时钟的每个上是为了提高抗干扰能力。接收器的采样时钟的每个上升沿对输入信号进行采样，检验接收数据线上的低电升沿对输入信号进行采样，检验接收数据线上的低电平是否保持平是否保持8或或9个连续的时钟周期，以确定传输线上个连续的时钟周期

9、，以确定传输线上的低电平是否是真的起始位。这样就可以避免噪声干的低电平是否是真的起始位。这样就可以避免噪声干扰引起的误操作，从而删除假的起始位。相当精确地扰引起的误操作，从而删除假的起始位。相当精确地确定起始位的中间点，从而提供一个时间基准。确定起始位的中间点，从而提供一个时间基准。2、同步通信协议、同步通信协议 同步方式通信的特点同步方式通信的特点 异步方式中并不要求收、发两端对传输数据的每一异步方式中并不要求收、发两端对传输数据的每一位均保持同步，而仅要求在一个字符的起始位后，使位均保持同步，而仅要求在一个字符的起始位后，使其中的每一位同步。而同步方式通信则要求对传送数其中的每一位同步。而

10、同步方式通信则要求对传送数据的每一位都必须在收、发两端严格保持同步，即所据的每一位都必须在收、发两端严格保持同步，即所谓谓“位同步位同步”。因此，同步方式中，收、发两端需用。因此，同步方式中，收、发两端需用同一个时钟源作为时钟信号。同一个时钟源作为时钟信号。 同步方式传送的字符没有起始位和停止位，它不是同步方式传送的字符没有起始位和停止位，它不是用起始位表示字符的开始，收发双方的同步方法可分用起始位表示字符的开始，收发双方的同步方法可分为为外同步法外同步法和和内同步法内同步法。外同步法是在发送数据之前向接收外同步法是在发送数据之前向接收端发送一串时钟脉冲，接收端按这个时钟频率调整自己端发送一串

11、时钟脉冲，接收端按这个时钟频率调整自己的时序，使接收时钟频率锁定在接收到的时钟频率上，的时序，使接收时钟频率锁定在接收到的时钟频率上，并作为同步时钟来接收数据。内同步法是接收端从接收并作为同步时钟来接收数据。内同步法是接收端从接收到的数据信息波形本身提取同步的方法。到的数据信息波形本身提取同步的方法。 同步通信协议分为面向字符和面向比特两种。同步通信协议分为面向字符和面向比特两种。同步通信时，字符数据不允许有空隙。当线路空闲或同步通信时，字符数据不允许有空隙。当线路空闲或没有字符可发送时，可发送收、发双方约定的同步字符。没有字符可发送时，可发送收、发双方约定的同步字符。 同步通信传输效率高，适

12、合于快速、大量数据的传送。同步通信传输效率高，适合于快速、大量数据的传送。 同步通信协议概述同步通信协议概述 如上所说，同步通信协议可分为两类：如上所说，同步通信协议可分为两类： 面向字符的同步通信协议面向字符的同步通信协议 面向比特的同步通信协议面向比特的同步通信协议 * 面向字符的同步通信协议面向字符的同步通信协议 面向字符的同步通信协议面向字符的同步通信协议BSC的帧格式的帧格式 该协议以若干字符组成一个信息块一起发送，一个信该协议以若干字符组成一个信息块一起发送，一个信息块称为一帧，用一些特殊定义的字符来定界一帧的开息块称为一帧，用一些特殊定义的字符来定界一帧的开始、结束和分隔不同的段

13、以及控制整个信息交换过程。始、结束和分隔不同的段以及控制整个信息交换过程。此种协议的一般帧格式如图此种协议的一般帧格式如图8.21所示。所示。 特殊定义的字符特殊定义的字符 SYN是同步字符，每帧开始有若干个是同步字符，每帧开始有若干个SYN。接收端一。接收端一SYN SYN SOH 标题 STX 数据块 ETB或ETX 块校验 面向字符的同步通信协议的帧格式旦检测到同步字符SYN，就知道一帧开始了。 SOH（Start of Header）表明标题的开始，称为序始符。标题中可以包括源地址、目的地址和路由指标等信息。 STX（Start of Text）称为文始符，标志着传送数据正文的开始。

14、数据块是传送正文的内容。 ETB（End of Transmission Block）称为组终符 ETX（End of Text）称为文终符。ETB用在正文很长，需分成若干个数据块，在不同帧中传送的情况，除最后一个数据块后用 外，其余数据块后都用ETB。 块校验是对前面从块校验是对前面从SOH开始，直到开始，直到ETX（或（或ETB）进行）进行检验产生的校验码，可以用奇偶校验，也可以用检验产生的校验码，可以用奇偶校验，也可以用CRC校校验。除上面提到的特殊字符外，还有一些其它字符起着验。除上面提到的特殊字符外，还有一些其它字符起着通信控制作用，参见下表。通信控制作用，参见下表。名 称ASCII

15、码名 称ASCII码序始符SOH0000001送毕符EOT0000101文始符STX0000010询问符ENQ0000101组终符ETB0010111确认符ACK0000110文终符ETX0000011否认符NAK0010101同步符SYN0010110转义符DLE0010000 面向字符的同步通信协议与异步通信协议相比，由于面向字符的同步通信协议与异步通信协议相比，由于不需要在每个字符的前后加起始位和停止位，所以传输不需要在每个字符的前后加起始位和停止位，所以传输效率明显提高，尤其是当传输较长数据时效果更明显。效率明显提高，尤其是当传输较长数据时效果更明显。 这这种协议与特定的字符编码集关系

16、密切，所以不利于种协议与特定的字符编码集关系密切，所以不利于兼容，并且实现起来也比较麻烦，为了克服这些缺点，兼容，并且实现起来也比较麻烦，为了克服这些缺点，产生了面向比特的同步通信协议。产生了面向比特的同步通信协议。 * 面向比特的同步通信协议面向比特的同步通信协议面向比特的同步通信协议也可叫做面向位的同步通信协面向比特的同步通信协议也可叫做面向位的同步通信协议，它有很多种，主要是议，它有很多种，主要是SDLC、HDLC和和ADCCP。这些协议。这些协议大同小异，只有一些微小的差别，他们在一帧所传输的数大同小异，只有一些微小的差别，他们在一帧所传输的数据位不必是字符的整数倍，只要不超过规定的数

17、据位总长据位不必是字符的整数倍，只要不超过规定的数据位总长度，可以为任意长度的比特位。此外，也不需要用特定定度，可以为任意长度的比特位。此外，也不需要用特定定义的字符，而是用规定的比特模式来定界一帧的开始、结义的字符，而是用规定的比特模式来定界一帧的开始、结束以及定义控制信息，故称为面向比特的同步通信协议。束以及定义控制信息，故称为面向比特的同步通信协议。这些协议中最著名和常用的是高级数据链路控制协议这些协议中最著名和常用的是高级数据链路控制协议HDLC和同步数据链路控制协议和同步数据链路控制协议SDLC，这两种协议有几乎相同的，这两种协议有几乎相同的帧格式。帧格式。* 高级数据链路控制协议高

18、级数据链路控制协议HDLC 1、HDLC的帧格式的帧格式 HDLC在链路上以帧作为传输信息的基本单位，帧格在链路上以帧作为传输信息的基本单位，帧格式的内容由式的内容由5个部分组成，如图个部分组成，如图8.23所示。所示。 标志场标志场 F HDLC以帧为单位传输，每一帧以一个标志字符开始，且以帧为单位传输，每一帧以一个标志字符开始，且以同一字符结束。这个标志字符使用唯一的以同一字符结束。这个标志字符使用唯一的8比特系列比特系列01111110。 地址场地址场A 在标志场后是在标志场后是8比特的地址场，用于指明次站的地址。对于命比特的地址场，用于指明次站的地址。对于命令帧，用作接收该帧的次站地址

19、；对于响应帧，用于作出令帧，用作接收该帧的次站地址；对于响应帧，用于作出应答的次站地址，次站一般情况下是单站。在用广播方式应答的次站地址，次站一般情况下是单站。在用广播方式发送时，次站是群站，地址段为发送时，次站是群站，地址段为11111111，则表示为广，则表示为广播地址。播地址。 地址场可扩展为地址场可扩展为16比特，以扩大寻址范围，比特，以扩大寻址范围，SDLC协议与协议与HDLC协议的差别就是它的地址场为协议的差别就是它的地址场为16位。位。 控制场控制场C 地址场后面是控制场，共有地址场后面是控制场，共有8比特，用于表示命令和响比特，用于表示命令和响应的类别和功能。应的类别和功能。

20、HDLC的帧分为三类，根据该场的前两位来区分。第一的帧分为三类，根据该场的前两位来区分。第一位为位为0，表示是信息帧，表示是信息帧I，若第一位为，若第一位为1，表示是监控帧，表示是监控帧S或或无编号帧无编号帧U。S帧和帧和U帧的区别取决于第二位，第二位为帧的区别取决于第二位，第二位为0是是监控帧，第二位为监控帧，第二位为1是无编号帧，如图是无编号帧，如图8.23(b)所示。所示。 控制场也可以扩展为控制场也可以扩展为16位，但基本格式不变，仅将位，但基本格式不变，仅将N(S) 和和N(R) 从从3比特扩展为比特扩展为7比特。比特。 控制场中的控制场中的P/F（Poll/Final）位是探询）位

21、是探询/结束位，对结束位，对于主于主站为探询位，站为探询位，P为为1时，要求次站给出响应；对于次站为时，要求次站给出响应；对于次站为表示最后帧位，表示最后帧位，F为为1表示次站响应的最后帧，预告传输表示次站响应的最后帧，预告传输将结束。将结束。 信息场信息场I 信息场中包含要传送的数据，其长度是任意的信息场中包含要传送的数据，其长度是任意的 。三类。三类帧中，只有信息帧中含有信息场。实际应用中受有关站帧中，只有信息帧中含有信息场。实际应用中受有关站点缓冲区容量的限制和链路差错特性的限制，通常给出点缓冲区容量的限制和链路差错特性的限制，通常给出最大长度。最大长度。 帧校验场帧校验场FCS 帧校验

22、场用于差错校验，通常采用帧校验场用于差错校验，通常采用16位位CRC校验，校校验，校验范围是从地址段开始到信息段，标志场和自动插入的验范围是从地址段开始到信息段，标志场和自动插入的 “0”位不参加位不参加CRC校验。校验。2、“0”比特插入和删除技术比特插入和删除技术 01111110作为标志字节出现在帧格式的开始和结束，作为标志字节出现在帧格式的开始和结束，若在信息场或其他场中也有这种字符，就无法区别。为若在信息场或其他场中也有这种字符，就无法区别。为了保证标志字节的唯一性，使之不与其他场中的信息混了保证标志字节的唯一性，使之不与其他场中的信息混淆，采用了淆，采用了“0”比特插入和删除技术。

23、比特插入和删除技术。 发送方在发送标志字符外的所有信息（包括地址场、发送方在发送标志字符外的所有信息（包括地址场、控制场和校验场）时，只要遇到连续控制场和校验场）时，只要遇到连续5个二进制个二进制“1”，就，就自动插入一个自动插入一个“0”。当接收方接收数据时（标志场除外），。当接收方接收数据时（标志场除外），如果连续收到如果连续收到5个二进制个二进制“1”，就自动地将其后的一个，就自动地将其后的一个“0”删除，以恢复信息的原有形式。删除，以恢复信息的原有形式。例例2：CPU要输出数据要输出数据7F3A，写出用，写出用HDLC帧格式的发送帧格式的发送和接收过程。和接收过程。 解：发送过程如下：

24、解：发送过程如下： 7F3A = 0111111100111010 0111111100111010 到发送器到发送器 01111101100111010 由发送器插入由发送器插入“0”位后位后发送发送 接收过程如下：接收过程如下： 01111101100111010 到接收器到接收器 0111111100111010 接收器删除插入的接收器删除插入的“0”位位 后到接收方的后到接收方的CPU 这种这种“0”比特插入和删除技术是由接口硬件自动完成比特插入和删除技术是由接口硬件自动完成的。的。3、HDLC网络拓扑网络拓扑 HDLC通信网络都是由一个主站和一个或多个次站组成的通信网络都是由一个主站

25、和一个或多个次站组成的，其连接的网络拓扑形式有三种：星形、总线形和，其连接的网络拓扑形式有三种：星形、总线形和环形，如图所示。图中环形，如图所示。图中A站是主站，其主要功能是发站是主站，其主要功能是发送命令（包括数据信息）帧，接收响应帧，并负责对整送命令（包括数据信息）帧，接收响应帧，并负责对整个链路的控制；其余是次站，其主要功能是接收由主站个链路的控制；其余是次站，其主要功能是接收由主站发来的命令帧、向主站发送响应帧，并配合主站参与差发来的命令帧、向主站发送响应帧，并配合主站参与差错校验后的恢复等链路控制。错校验后的恢复等链路控制。二、串行通信的数据传送方式二、串行通信的数据传送方式1. 串

26、行通信中，两个设备之间连接的数据通路有三种方法。串行通信中，两个设备之间连接的数据通路有三种方法。 1、单工（、单工（simplex）连接）连接 这种连接方式仅能进行一个方向的数据传输。这种连接方式仅能进行一个方向的数据传输。 2、半双工（、半双工（half-duplex）连接）连接 两个设备两个设备A、B之间可交替地进行双向数据传送，但不之间可交替地进行双向数据传送，但不能同时发送或同时接收。能同时发送或同时接收。 3、全双工（、全双工（full-duplex）连接）连接 两个设备两个设备A、B之间可同时进行数据传送。之间可同时进行数据传送。图8.8 串行通信的连接方式2.信号信号的调制和的

27、调制和解调解调串行数据在传输线上的形式和标准串行数据在传输线上的形式和标准 串行数据在传输时通常采用串行数据在传输时通常采用调幅调幅（AM）、）、调频调频（FM）和调相（和调相（PM）三种方式传送数字信息。）三种方式传送数字信息。 调幅方式调幅方式 幅度调制是用某种电平或电流来表示逻辑幅度调制是用某种电平或电流来表示逻辑“1”，称为传号（，称为传号（mark）；而用另一种电平或电流来表示逻辑）；而用另一种电平或电流来表示逻辑“0”，称为空，称为空号（号（space）。出现在传输线上的）。出现在传输线上的mark/space的的 串行串行 使用使用mark/space形式通常有四种标准，形式通常

28、有四种标准，TTL标准、标准、RS-232标准、标准、20mA电流环标准和电流环标准和60mA电流环标准。电流环标准。 TTL标准：用标准：用+5V电平表示逻辑电平表示逻辑“1”；用；用0V电平表示逻辑电平表示逻辑“0”，这里采用的是正逻辑。，这里采用的是正逻辑。 RS-232标准：用标准：用-5V -15V之间的任意电平表示逻辑之间的任意电平表示逻辑“1” ；用；用+5V +15V电平表示逻辑电平表示逻辑“0”，这里采用的是负逻辑，这里采用的是负逻辑。 20mA电流环标准。线路中存在电流环标准。线路中存在20mA电流表示逻辑电流表示逻辑1，不，不存在存在20mA电流表示逻辑电流表示逻辑0。

29、60mA电流环标准。线路中存在电流环标准。线路中存在60mA电流表示逻辑电流表示逻辑1，不，不存在存在60mA电流表示逻辑电流表示逻辑0。 调频方式调频方式 频率调制方式是用两种不同的频率分别表示二进制中的逻频率调制方式是用两种不同的频率分别表示二进制中的逻辑辑1和逻辑和逻辑0，通常使用，通常使用曼彻斯特编码标准曼彻斯特编码标准和和堪萨斯城标准堪萨斯城标准。 曼彻斯特编码标准，它的数据形式如图曼彻斯特编码标准，它的数据形式如图8.3所示。这种所示。这种标标准兼有电平变化和频率变化来表示二进制数的准兼有电平变化和频率变化来表示二进制数的0和和1。从图中。从图中可看出。每当出现一个新的二进制位时，

30、就有一个电平跳可看出。每当出现一个新的二进制位时，就有一个电平跳变。如果该位是逻辑变。如果该位是逻辑1，则在中间还有一个电平跳变；而逻，则在中间还有一个电平跳变；而逻辑辑0仅有位边沿跳变。所以逻辑仅有位边沿跳变。所以逻辑1的频率比逻辑的频率比逻辑0的频率大一的频率大一倍。曼彻斯特编码标准通常用在两台计算机之间的同步通信倍。曼彻斯特编码标准通常用在两台计算机之间的同步通信。 堪萨斯城标准，它的数据形式如图堪萨斯城标准，它的数据形式如图8.4所示。它用频所示。它用频率率为为1200Hz中的中的4个周期表示逻辑个周期表示逻辑0；而用频率为；而用频率为2400Hz中的中的8个周期表示逻辑个周期表示逻辑

31、1。 2、局域网中常用的数字编码技术、局域网中常用的数字编码技术在局域网中常用的数字信号编码有以下在局域网中常用的数字信号编码有以下3种，如图种，如图8.5所示所示。 NRZ 编码编码 NRZ 编码又称为不归零编码，常用正电压表示编码又称为不归零编码，常用正电压表示“1”，负负电压表示电压表示“0”，而且在一个码元时间内，电压均不需要，而且在一个码元时间内，电压均不需要回回到零。其特点是全宽码，即一个码元占一个单元脉冲的到零。其特点是全宽码，即一个码元占一个单元脉冲的宽度。宽度。曼彻斯特（曼彻斯特（Manchester)编码编码 在曼彻斯特编码中，每个二进制位（码元）的中间都有在曼彻斯特编码中

32、，每个二进制位（码元）的中间都有电压跳变。用电压的正跳变表示电压跳变。用电压的正跳变表示“0”，电压的负跳变表，电压的负跳变表示示“1”。由于跳变都发生在每一个码元的中间位置（半个。由于跳变都发生在每一个码元的中间位置（半个周周期），接收端就可以方便地利用它作为同步时钟，因此期），接收端就可以方便地利用它作为同步时钟，因此这种曼彻斯特编码又称为自同步曼彻斯特编码。目前最这种曼彻斯特编码又称为自同步曼彻斯特编码。目前最广泛应用的局域网广泛应用的局域网以太网，在数据传输时就采用这种以太网，在数据传输时就采用这种数字编码。数字编码。 微分曼彻斯特编码微分曼彻斯特编码 这种编码是曼彻斯特编码的一种修改

33、形式，其不同之这种编码是曼彻斯特编码的一种修改形式，其不同之处处时：用每一位的起始处有无跳变来表示时：用每一位的起始处有无跳变来表示“0”和和“1”，若，若有跳有跳变则为变则为“0”，无跳变则为，无跳变则为“1”；而每一位中间的跳变只；而每一位中间的跳变只用来用来作为同步的时钟信号，所以它也是一中自同步编码，作为同步的时钟信号，所以它也是一中自同步编码， 自同步曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码的每一位都自同步曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码的每一位都是是用不同电平的两个半位来表示的，因此始终保持直流的用不同电平的两个半位来表示的，因此始终保持直流的平衡。不会造成直流的累积。平衡。不会造成直流的累积

34、。*数据传输率数据传输率 数据传输率是指单位时间内传输的信息量数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用比特率，可用比特率和波特率来表示。和波特率来表示。 比特率比特率：比特率是指每秒传输的二进制位数，用：比特率是指每秒传输的二进制位数，用bps（bit/s)表示。表示。 波特率波特率，波特率是指每秒传输的符号数，若每个符号，波特率是指每秒传输的符号数，若每个符号所含的信息量为所含的信息量为1比特，则波特率等于比特率。比特，则波特率等于比特率。 在计算机中，一个符号的含义为高低电平，它们分别代在计算机中，一个符号的含义为高低电平，它们分别代表逻辑表逻辑“1”和逻辑和逻辑“0”，所以每个符号所含

35、的信息量刚好，所以每个符号所含的信息量刚好为为1比特，因此在计算机通信中，常将比特率称为波特率，比特，因此在计算机通信中，常将比特率称为波特率，即：即： 1波特（波特（B）= 1比特（比特（bit）= 1位位/秒（秒（1bps）例如：电传打字机最快传输率为每秒例如：电传打字机最快传输率为每秒10个字符个字符/秒，每个秒，每个字符包含字符包含11个二进制位，则数据传输率为：个二进制位，则数据传输率为： 11位位/字符字符10个字符个字符/秒秒=110位位/秒秒=110波特（波特（Baud） 计算机中常用的波特率是：计算机中常用的波特率是：110、300、600、1200、2400、4800、96

36、00、19200、28800、33600，目前最高可达目前最高可达56Kbps. 位时间位时间Td 位时间是指传送一个二进制位所需时间，用位时间是指传送一个二进制位所需时间，用Td 表示。表示。 Td = 1/波特率波特率 = 1/B 例如：例如：B=110波特波特/秒秒 ， 则则Td = 1/110 0.0091ms4、发送时钟和接收时钟、发送时钟和接收时钟 在串行通信中，二进制数据以数字信号的信号形式出现在串行通信中，二进制数据以数字信号的信号形式出现，不论是发送还是接收，都必须有时钟信号对传送的数，不论是发送还是接收，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。在据进行定位。在TTL标准表示的

37、二进制数中，传输线上高标准表示的二进制数中，传输线上高电平表示二进制电平表示二进制1，低电平表示二进制，低电平表示二进制0，且每一位持续，且每一位持续时间是固定的，由发送时钟和接收时钟的频率决定。时间是固定的，由发送时钟和接收时钟的频率决定。 发送时钟发送时钟 发送数据时，先将要发送的数据送入移位寄存器，然发送数据时，先将要发送的数据送入移位寄存器，然后在发送时钟的控制下，将该并行数据逐位移位输出。通后在发送时钟的控制下，将该并行数据逐位移位输出。通常是在发送时钟的下降沿将移位寄存器中的数据串行输常是在发送时钟的下降沿将移位寄存器中的数据串行输出，每个数据位的时间间隔由发送时钟的周期来划分，出

38、，每个数据位的时间间隔由发送时钟的周期来划分，参见图参见图8.6所示。所示。 接收时钟在接收串行数据时，接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测，并将其移入接收器的移位寄存器中，最 后组成并行数据输出，如图后组成并行数据输出，如图8.7所示。所示。 波特率因子接收时钟和发送时钟与波特率有如下关系： F = n B 这里这里F 是发送时钟或接收时钟的频率；是发送时钟或接收时钟的频率； B 是数据传输的波特率；是数据传输的波特率； n 称为波特率因子。称为波特率因子。 设发送或接收时钟的周期为设发送或接收时钟的周期为Tc，频率为，频率为F的位传输时间的位传输时间为为Td，则：，则： Tc =

39、 1/F , Td = 1/B 得到：得到： Tc = Td /n 在实际串行通信中，波特率因子可以设定。在异步传送在实际串行通信中，波特率因子可以设定。在异步传送时，时，n = 1，16，64，实际常采用，实际常采用n = 16，即发送或接，即发送或接收时收时钟的频率要比数据传送的波特率高钟的频率要比数据传送的波特率高n倍。在同步通信时，倍。在同步通信时，波特率因子波特率因子n必须等于必须等于1。 三、串行通信的校验方法三、串行通信的校验方法在串行通信中，由于线路长和噪声干扰的存在，会导致在串行通信中，由于线路长和噪声干扰的存在，会导致信息传输过程中出现错误。为保证信息传输的正确性信息传输过

40、程中出现错误。为保证信息传输的正确性，必须对传输的数据信息进行差错检查和校正，即检，必须对传输的数据信息进行差错检查和校正，即检错和纠错。一般采用奇偶检验，以反馈重发方式纠错错和纠错。一般采用奇偶检验，以反馈重发方式纠错。在高级通信协议中，一般采用循环衷冗余码（。在高级通信协议中，一般采用循环衷冗余码（CRC）检错，以自动纠错方式来纠错。）检错，以自动纠错方式来纠错。43 1、奇偶校验、奇偶校验它的基本原理是在所传输的有效数据中附加冗余位（即它的基本原理是在所传输的有效数据中附加冗余位（即检验位）。利用冗余位的存在，使整个信息位（包括检验位）。利用冗余位的存在，使整个信息位（包括有效位和检验位

41、）中有效位和检验位）中“1”的个数具有奇数或偶数的特的个数具有奇数或偶数的特性。整个信息位经过线路传输后，若原来所具有的性。整个信息位经过线路传输后，若原来所具有的“1”的个数的奇偶性发生了变化，则说明出现了传输的个数的奇偶性发生了变化，则说明出现了传输错误，可由专门的检测电路检测出来。错误，可由专门的检测电路检测出来。这种利用信息这种利用信息位中位中“1”的个数的奇偶性来达到检验目的的编码称为的个数的奇偶性来达到检验目的的编码称为奇偶校验码。奇偶校验码。使整个信息位使整个信息位“1”的个数为奇数的编码的个数为奇数的编码叫奇校验码；而使整个信息位叫奇校验码；而使整个信息位“1”的个数为偶数的编

42、的个数为偶数的编码叫偶校验码。码叫偶校验码。 2、CRC校验校验CRC（Cyclic Rendundancy Cheek）是循环冗余校验）是循环冗余校验的缩写字母，它是利用编码原理，对传送的二进制码的缩写字母，它是利用编码原理，对传送的二进制码序列以一定的规则产生一定的校验码，并将校验码放序列以一定的规则产生一定的校验码，并将校验码放在二进制序列之后，形成符合一定规则的新的二进制在二进制序列之后，形成符合一定规则的新的二进制码序列（称为编码），并将新的二进制码序列发送出码序列（称为编码），并将新的二进制码序列发送出去。在接收时，就根据信息和校验码之间所遵循的规去。在接收时，就根据信息和校验码之

43、间所遵循的规则进行检测（称为译码），从而检测出传输过程中是则进行检测（称为译码），从而检测出传输过程中是否发生差错。否发生差错。CRC校验是对整个数据块进行校验，所校验是对整个数据块进行校验，所以同步串行通信都采用以同步串行通信都采用CRC校验。校验。 模模2运算运算 所谓模所谓模2相加就是两个二进制数相加的结果被相加就是两个二进制数相加的结果被2除，并除，并以所得的余数作为和数，即进行半加不进位。以所得的余数作为和数，即进行半加不进位。“模模”是是取取余数的意思。模余数的意思。模2加相当于作异或运算。加相当于作异或运算。 例例3：1+1=2，它被，它被2除后，余数为除后，余数为0，所以，所以

44、1+1的模的模2加加法，其结果应为法，其结果应为0，记作，记作1+1=0（mod 2）或记作）或记作1 1= 0 。 二进制代码的多项式运算二进制代码的多项式运算 根据模根据模2加法的运算规则，二进制多项式的加法等于加法的运算规则，二进制多项式的加法等于二二进制多项式的减法。进制多项式的减法。 例例4：有两个多项式：有两个多项式M1(x)和和M2(x) 则有则有 M1(x)+M2(x) = M1(x)-M2(x) 而进行多项式乘法和除法，则跟普通代数多项式的乘而进行多项式乘法和除法，则跟普通代数多项式的乘法和除法一样，例如对除法有：法和除法一样，例如对除法有： M1(x)/ M2(x) = Q

45、(x) + R(x)/ M2(x) 其中，其中， Q(x) 为商，为商， R(x)为余数。若能除尽，则余数为余数。若能除尽，则余数R(x)等于等于0 。 例例5： M1(x) = x7+x6+1 , M2(x) = x7+x5+x2+1 则则 M1(x) + M2(x) = x6+x5+x2 M1(x) M2(x) = x6+x5+x2 线性分组码和循环码线性分组码和循环码 二进制码的多项式表示二进制码的多项式表示 二进制码可以表示成二进制多项式，例如，二进制码二进制码可以表示成二进制多项式，例如，二进制码10101101，其代码多项式，其代码多项式M(x)为：为： M(x) = A7x7+A

46、6x6+A5x5+A4x4+A3x3+A2x2+A1x1+A0 x0 = 1x7+0 x6+1x5+0 x4+1x3+1x2+0 x1+1x0 = x7+x5+ x3+x2+1 这里这里x的指数的指数i仅表示各比特在多项式中的位置，如仅表示各比特在多项式中的位置，如i=0表示第表示第0位，位，i=7表示第表示第7位等。位等。 从上式可看出，二进制多项式的系数取值只能是从上式可看出，二进制多项式的系数取值只能是0或或1。一个一个8位比特组，可以用位比特组，可以用7次多项式来表示，以次类推，次多项式来表示，以次类推，n 位的比特组可以用位的比特组可以用n-1次多项式来表示。次多项式来表示。 线性分

47、组码和循环码的组成线性分组码和循环码的组成 在一个长度为在一个长度为k的二进制信息序列后，附加上一定规则的二进制信息序列后，附加上一定规则的校验位的校验位r（r = n k）后，组成了长度为）后，组成了长度为n的二进制信的二进制信息序息序列，称为列，称为n位循环码，如图位循环码，如图8.16所示。所示。 n位循环码位循环码 k位位 r位位 信息段信息段 校验段校验段 图图8. 16 n位循环码位循环码 这种码又称为（这种码又称为（n，k）码。如果）码。如果r个校验位中，每一位个校验位中，每一位都由都由k个信息位中的某几位线性模个信息位中的某几位线性模2相加得到，则这样的循相加得到，则这样的循

48、环码又称为线性分组码。环码又称为线性分组码。 例：信息位为例：信息位为3位（位（k=3 )，设每一段加，设每一段加4个校验位（个校验位（r=4），其二进制多项式，其二进制多项式T(x)可写成可写成: T(x) = xrB(x)+R(x) = x4(B6x2+B5x1+B4x0) + (B3x3+B2x2+B1x1+B0 x0) = B6x6+B5x5+B4x4+ B3x3+B2x2+B1x1+B0 x0按如下规则编成一个（按如下规则编成一个（7，3）循环码：）循环码： B3= B6 B4 B2= B6 B5 B4 B1= B6 B5 B0= B5 B4 式中式中B6 、B5、B4为信息段多项式

49、的系数，为信息段多项式的系数， B3 、B2、B1 和和B0是校验段的多项式系数。按上述规则输出的码字可是校验段的多项式系数。按上述规则输出的码字可 列表如下：列表如下： 表表 例例6（7，3）循环码的编码）循环码的编码信 息 位 （ k） 校 验 位 （ r） 码 字 （ n） B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0

50、 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 例例7：信息位：信息位：1011001 B(x) = x6+x4 + x3 + 1 冗余位：冗余位：1010 R(x) = x3+x1则码字：则码字：10 110011010 T(x) = x4B(x) + R(x) = x10+x8 + x7 + x4+x3 + x1 冗余位如何产生冗余位如何产生 由信息位产生冗余位的编码过程，就是已知由信息位产生冗余位的编码过程，就是已知B(x)

51、 求求R(x)的过程。在的过程。在CRC码中可以由一个特定的码中可以由一个特定的r次多项式次多项式G(x)（其最高项其最高项 xr的系数恒为的系数恒为1），然后用），然后用xrB(x)去除以去除以 G(x)，得到的余式就是得到的余式就是R(x)。所以。所以G(x)称为生成多项式。要指出称为生成多项式。要指出的是，这些多项式中的运算都是模的是，这些多项式中的运算都是模2运算，即模运算，即模2加和模加和模2减，它们都是不考虑加法进位和减法借位的运算。减，它们都是不考虑加法进位和减法借位的运算。 其中余式其中余式R(x)的系数就是冗余位，看下面的例子。的系数就是冗余位，看下面的例子。 例例8：例：例

52、7中中B(x) = x6+x4 + x3 + 1（即信息位是（即信息位是1011001）若若G(x) = x4+x3 + 1（对应代码（对应代码11001），即），即r=4，则，则 x4B(x) = x10 + x8 + x7 + x4( 对应代码为对应代码为10110010000） 其由模其由模2除法求除法求R(x)的过程如下：的过程如下： 1101010 11001 10110010000 11001 11110 11001 11110 11001 11100 11001 1010得到的余数为得到的余数为1010，这就是冗余位，对应的余式，这就是冗余位，对应的余式 R(x) = x3 +

53、x CRC校验原理校验原理 由于由于R(x) 是是xrB(x)除以除以G(x)的余式，那么下列关系式的余式，那么下列关系式必必然满足：然满足： xrB(x) = G(x) Q(x) + R(x) 其中其中Q(x)是商式。可将上式改写为：是商式。可将上式改写为： xrB(x) R(x) = G(x) Q(x) 根据模根据模2运算规则有运算规则有xrB(x) + R(x) = xrB(x) R(x) ，所以，所以上式可写为：上式可写为： xrB(x) + R(x) = G(x) Q(x) 再改写为：再改写为： xrB(x) + R(x) G(x) = Q(x) 即即 T(x) G(x) = Q(x

54、) 由此可见，信道上发送的码字多项式由此可见，信道上发送的码字多项式T(x) = xrB(x) + R(x) ，若传输过程无错，则接收方收到的码字也对应于此多，若传输过程无错，则接收方收到的码字也对应于此多项式，即收到的码字多项式也能被项式，即收到的码字多项式也能被G(x)整除。因此，接整除。因此，接收收端的校验过程就是将接收到的码字多项式除以端的校验过程就是将接收到的码字多项式除以G(x)的过的过程程。若得到的余式为零则认为传输无差错；若余式不为零。若得到的余式为零则认为传输无差错；若余式不为零则则 传输有差错。传输有差错。 码字多项式和生成多项式码字多项式和生成多项式 码字多项式码字多项式

55、T(x) = xrB(x) + R(x) 是生成多项式是生成多项式G(x)的的倍数，即它能被倍数，即它能被G(x)除尽；码字多项式除尽；码字多项式T(x) 中的高次项中的高次项多项式多项式xrB(x) 的系数仍是原信息码，而低次项多项式的系数仍是原信息码，而低次项多项式R(x) 是余数多项式，它的各项系数作为校验码（冗余位），是余数多项式，它的各项系数作为校验码（冗余位），即即CRC校验码。校验码。 CRC校验码可以是校验码可以是16位或位或32位。位。 生成多项式生成多项式G(x) 生成多项式的位数越多其校验能力越强，但并不是任生成多项式的位数越多其校验能力越强，但并不是任何何一个一个r +

56、 1位的二进制数都可以做生成多项式。目前广泛位的二进制数都可以做生成多项式。目前广泛使使用的生成多项式主要有以下四钟：用的生成多项式主要有以下四钟： CRC12= x12 + x11 + x3 + x2 + 1 CRC16= x16 + x15 + x2 + 1 （IBM公司）公司） CRC16= x16 + x12 + x5 + 1（CCITT） CRC32= x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1（目前以太网中广泛（目前以太网中广泛采用）采用）例例9：已知（：已知（7，3）

57、循环码，生成多项式）循环码，生成多项式 G(x)= x4 + x3 + x2 + 1 ，设信息码为，设信息码为B = 101，求，求 CRC校验码。校验码。解：由题义，可知解：由题义，可知k=3，r=4，n=7，校验位是，校验位是4位位 信息多项式信息多项式B(x)= x2 + 1 ，提阶后的信息多项式为，提阶后的信息多项式为： x4 B(x) = x6 + x4 )()()()()(4xGxRxQxGxBx1111234223446xxxxxxxxxxx即 Q(x) = x2 + x + 1 R(x) = x + 1所以4位校验码是0011四、四、异步串行通信的标准接口异步串行通信的标准接口

58、-RS-232C接口接口 EIA RS-232C接口标准是美国电子工业协会接口标准是美国电子工业协会EIA与与BELL等公司一起开发、于等公司一起开发、于1969年公布的接口标准，年公布的接口标准，适合于数据终端设备适合于数据终端设备DTE与数据通信设备与数据通信设备DCE之间的之间的连接与通信。连接与通信。另一个与另一个与EIA RS-232C基本相同的标准是国际电报电话基本相同的标准是国际电报电话咨询委员会咨询委员会CCITT的的V.24。57上图表示了上图表示了RS-232C在一个典型的通信系统中的使用环在一个典型的通信系统中的使用环境。其中境。其中CRT终端经电话线与远程计算机通信。终

59、端经电话线与远程计算机通信。 CRT终端和计算机都是终端和计算机都是DTE设备，而设备，而DCE设备就是调制解设备就是调制解调器，连接两个调器，连接两个DCE设备的是公共电话线路。设备的是公共电话线路。RS-232C接口特性接口特性RS-232C接口标准包括机械接口特性、电路功能特性以接口标准包括机械接口特性、电路功能特性以及电气信号特性等几方面，下面就此作简单介绍。及电气信号特性等几方面，下面就此作简单介绍。 机械接口特性机械接口特性RS-232C接口连接器（指针和插座）采用标准的接口连接器（指针和插座）采用标准的D型型 25针连接器，即针连接器，即DB-25连接器。连接器。 电路的功能特性

60、电路的功能特性 RS-232C的的25芯连接器引脚功能定义如表芯连接器引脚功能定义如表8-6所示。其所示。其25个引脚仅定义了个引脚仅定义了22个，这个，这22个信号分成两组：一个主信个信号分成两组：一个主信道组、一个辅信道组。在多数情况下仅使用主信道组道组、一个辅信道组。在多数情况下仅使用主信道组的信号线。在通常的微机通信中，的信号线。在通常的微机通信中， RS-232C接口的连接口的连接电缆经常使用的信号线只有接电缆经常使用的信号线只有9根，如表所示。根，如表所示。 电气信号特性电气信号特性RS-232C采用负逻辑，将采用负逻辑，将-5V -15V规定为逻辑规定为逻辑“1”，+5V +15