第4章串行通信及接口(1)

1、第4章 串行通信及接口第4章 串行通信及接口 串行通信的基本概念 可编程串行接口芯片-Ins 8250A 习题串行通信的基本概念 数字信号的并行传输和串行传输D0D7STRACK017017CP1 CP2CPUOUT XXXH，ALIN AL，XXXHCPU10100011串行通信的基本概念 全双工方式和半双工方式 全双工方式：用不同的通路同时进行发送和接收； 半双工方式：输入和输出使用同一通路，或者发送或者接收。串行通信的基本概念 串行通信的同步方式 字符同步方式（异步同步方式，起止式同步方式）：以字符为单位进行传输，在发送每个字符之前发送一个同步参考信号。 位同步方式：发送端对每位数据位都

2、带有同步信息。可以在发送数据的同时发送同步的时钟脉冲，也可以通过编码将数据和时钟一起发送。串行通信的同步方式 字符同步方式（异步同步方式，起止式同步方式）：以字符为单位进行传输，在发送每个字符之前发送一个同步参考信号。起始位起始位58个字符个字符奇奇/偶校验位偶校验位停止位停止位间隔间隔起始位起始位串行通信的同步方式 位同步方式：发送端对每位数据位都带有同步信息。可以在发送数据的同时发送同步的时钟脉冲，也可以通过编码将数据和时钟一起发送。017CP1数据数据017017编码017时钟解码CP串行通信的同步方式 发送时钟：发送端需要用时钟决定每一位对应的时间长度，叫发送时钟； 接收时钟：接受端需

3、要用时钟决定每一位对应的时间长度，叫接收时钟； 上述两个时钟的频率可以是位传输率的16、32、64倍，叫波特率因子； 波特率：每秒钟所传输的数据位数叫波特率； 信号的发送与侦测：通用异步通信收发器(UART): universal asynchronous receiver and transmitter串行通信的同步方式 *异步通信：两个字符之间的传输间隔是任意的，所以，每个字符的前后都要用一些数据位来做分隔位；接收方和发送方时钟频率不必完全一样，不超过一定允许范围即可； *同步通信：将许多字符组成一个信息组，这样字符可以一个接一个传输，但是，在每组信息(通常称为信息帧)的开始要加上同步字符

4、，在没有信息要传输时，要添上空字符，因为同步方式不允许有间隙；一般将同步字符和空字符用同一个代码。 *同步方式和异步方式比较： 同步方式的信息有效率高。 同步方式需传输时钟信号。串行通信的同步方式举例 例、异步传输过程：设每个字符对应1个起始位、7个信息位、1个奇偶校验位和1个停止位，如果波特率为1200bps，那么，每秒钟能传输的最大字符数为1200/10120个。 例2 、同步传输：用1200bps的波特率工作，用4个同步字符作为信息帧头部，奇偶校验，那么，传输100个字符所用的时间为8(100+4)/12000.6933s，这就是说，每秒钟能传输的字符数可达到100/0.6933144个

5、。 在同样的传输率下，同步传输时实际字符传输率要比异步传输时高。数据编码技术数字数据数字数据模拟数据模拟数据数字传输数字传输模拟传输模拟传输曼彻斯特曼彻斯特/差分差分编码编码调制解调调制解调PCM调制解调（频分复用）调制解调（频分复用）数据编码技术-数字数据的数字编码1 0 1 1 0 0 1 0不归零制编码不归零制编码时钟时钟曼彻斯特编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码数据编码技术-数字数据的模拟编码技术数据数据调幅调幅调频调频调相调相 0 1 0 1 1串行通信标准 RS-232-C：EIA1969年发布的串行数据交换标准。 RS-449-C：EIA1977年发布的串行数据交换

6、标准。 RS-485：适合于点到多点的串行数据交换标准。 USB：通用串行总线规范。 IEEE 1394：Fire Wire“火线”RS-232-C DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。 RS-232-C 机械特性：DB25型，25Pin，DTE端为插针，DCE端为插孔。 电气特性：逻辑1输出为-5V-15V，

7、逻辑0输出为+5V+ 15V，逻辑1接收为-3V25V，逻辑0接收为+3V+25V。输入输出均需要电平转换电路（如MC1488/1489）。 功能特性：主要引脚的作用，TD/RD为发送/接收数据，DTR/DSR为数据终端准备好/数据设备准备好，RTS/CTS为请求/允许发送，RI/CD为振铃指示/载波检测（用于MODEM）。 规程特性：DTE置DTR为ON，DCE置DSR为ON（建立连接），DTE要发送数据时置RTS，DCE置CTS，则DTE可通过TD/RD发送/接收数据。结束时拆除连接，即DTE将DTR置OFF，DCE将DSR置OFF（简化）。RS-232-CDTEDCEDCE串行比特传输信

8、号线与控制线用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境DTE 通过 DCE与通信传输线路相连 RS-232-CEIA-232/V.24 的信号定义的信号定义 (1) 保护地(2) 发送数据TxD(3) 接收数据RxD(4) 请求发送RTS(5) 允许发送CTS(6) DCE 就绪DSR(7) 信号地(8) 载波检测CD(20) DTE 就绪DTR(22) 振铃指示RIDTEDCE计算机或终端调制解调器RS-232-C两个两个 DTE 通过通过 DCE进行通信的例子进行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口接口调制解调器调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADC

9、E-BEIA-232/ V.24 接口接口调制解调器调制解调器网网 络络P42置置DTR；TxD发发送电话号码送电话号码置置RI置置DTR产生载波；置产生载波；置DSR检测载波；置检测载波；置CD和和DSR；产生载；产生载波波检测载波；置检测载波；置CD置置RTS置置CTSDTE-A发送数据；发送数据；DTE-B接收数据接收数据RS-232-C插头插头插座插座计算机虚拟调制解调器计算机（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE

10、 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示RS-449-C的电气特性 RS-423A：采用非平衡线路，每一路信号均为单端输出差分输入，每个方向一个回线，从而使串音干扰减小。输出电压为3.6V6V,输入门限电压为-0.2V+0.2V。10m以内可达300Kbps。 RS-422A：采用平衡线路，每一路信号均为差分输出差分输入，每路信号一个回线，抗干扰能力很强。输出电压为2V6V,输入门限电压为-0.2V+0.2V。10m以内可达10Mbps。 RS-232-C：单端输出单端输入，功用一个地线，抗干扰能力较差。15M以内21Kbps。TDRDTDRDTDRDRS-232-

11、CRS-423ARS-422ARS-485的电气特性 在RS-422A的基础上对发送器和接收器正加了控制信号，保证任何时候只允许一个发送器处于发送状态。TDRDRS-485RD发送控制接收控制接收控制RD TD发送控制TD发送控制接收控制USB的特点 即插即用和热插拔功能（不用重新启动） 灵活多用（127台不同种类的设备，如调制解调器、数字相机、扫描仪、彩色打印机等） 直接供电(读卡器 、摄像头 、 游戏柄等耗电少的设备可直接由USB接口供电，最大可获得500mA的电流 传输距离在全速传输时(使用4芯电缆)连接距离为5mUSB的传输方式 控制传输方式：类似于查询方式，用来配置和控制主机到USB

12、设备的传输方式和类型，适用于设备控制命令、设备状态查询及确认命令的 等时传输方式：适用于可靠性要求不高但对实时性敏感的设备(如麦克风、喇叭、电话等)，以固定的传输速率连续的在主机与USB设备之间传输数据，出现错误时并不理会 中断传输方式：适用于数据量小但需要及时处理的设备(如键盘、鼠标、操纵杆等 ） 批（Bulk）传输方式：适用于要求正确无误传输大批量数据的设备(如打印机、 扫描仪、数字相机等 ）USB总线体系结构 总线主机控制器(由主机系统提供)、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备及相应的设备驱动程序。PC主机系统HUBHUB.鼠标MODEM.摄像头打印机.USB的电气连接特性U

13、SB发送器USB接收器VccD+D-GND15kGNDVcc15k1.5k主机/HUB下行口USB设备/HUB上行口GNDVccD+D-GND*:低速设备是将电阻接到D-端上 USB传输信号状态：传输信号状态： D+Voh, D-Voh, D+Vol为差分“0”*:低速设备的信号状态相反USB数据编码和解码 USB使用一种NRZI(不归零反向码)编码方式 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0Idle Data NRZI J K *：为保证准确性，发送设备在在发送一个包时，要进行位：为保证准确性，发送设备在在发送一个包时，要进行位插入操作，即在数据流中每插入操作，即在数

14、据流中每6个连续的个连续的“1”后插入一个后插入一个“0”，从而强迫，从而强迫NRZI码发生变化。码发生变化。*：接收端则对接收的数据进行解码，即每收到每：接收端则对接收的数据进行解码，即每收到每6个连个连续的续的“1” 就删除后面的就删除后面的“0”，如有，如有7个连续的个连续的“1”，则，则认为出现位插入错误，并忽略该数据包（认为出现位插入错误，并忽略该数据包（EOP前除外）前除外）。USB总线传输协议 USB属于轮询方式，主机控制端口初始化所有的数据传输PID（8） ADDR（7） ENDP（4） CRC5（5）PIDCRC5(5)PIDCRC16(16)PIDPIDADDRENDPCR

15、C5Frame Number（11）标记包帧开始包数据包握手包特殊包DATA（01023)（主机）DATA0、DATA1ACK、NAK、STALLUSB总线通信模型 USB属于轮询方式，主机控制端口初始化所有的数据传输应用软件USB系统软件驱动管理主控器件外设 串行引擎USB总线接口USB总线接口串行引擎USB设备USB主机控制器功能 状态处理 串行化和反串行化 帧产生 数据处理 协议引擎 传输差错控制 远程唤醒 根集线器 主机系统接口 软件功能 HCD驱动程序 USB总线驱动程序USBD设备驱动程序设备驱动程序主机软件主机软件HUB驱动驱动USBDHCDIEEE 1394的特点 高速数据传输

16、：100M、200M、400M 保证是实时性：支持异步、同步两种模式，可连接高视频设备，应用领域可扩展到通信和信息家电 高自由度连接/拓扑结构：最多可连接63台设备，结点间距离4.5m(可延长至50100m) 带电插拔/即插即用 编码方式：DSLink8250引脚信号 D0D7、A0A2、DISTR/DISTR、DOSTR/DOSTR、CS0/CS1/CS2：用于CPU对寄存器读写。 SIN/SOUT、DTR/DSR、RTS/CTS：用于传输数据。 RI、RLSD：振铃指示和载波检测。 XTAL1、XTA L2：外部时钟输入输出。 RCLK/BAUDOUT：接收/发送时钟信号。 OUT1、OU

17、T2：用户指定输出端。 INTRPT：中断请求信号。 MR：复位信号。 D0D7D0D7A0A2A0A2DOSTRDISTRIOWIORA3A4A9AENMRCS2RSOSCXTAL1OUT2INTR5VIRQ4SOUTSINDTRDSRRTSCTSRIRLSDRCLKBAUDOUT82508250内部寄存器 接收缓冲寄存器RBR 发送保持寄存器THR 线路控制寄存器LCR 线路状态寄存器LSR 除数锁存寄存器DLRH/L 中断允许寄存器IER 中断识别寄存器IIR MODEM控制寄存器MCR MODEM状态寄存器MSRRBR接收移位LCRDLRH/LTHRMCRMSRIERIIR发送移位LS

18、R波特率发生器接收同步控制发送同步控制MODEM控制逻辑控制逻辑中断8250的内部结构线路控制寄存器LCRDLAB位：位：0-允许访问接收缓冲器、发送保持器、中断允许寄存器允许访问接收缓冲器、发送保持器、中断允许寄存器 1-允许访问除数锁存寄存器允许访问除数锁存寄存器D0D1D2D3D4D5D6D7数据位数数据位数校验方式校验方式间断码设置：间断码设置：0-不设置；不设置；1-设置设置XX0-无校验；无校验；001-奇校验；奇校验；011-偶校验；偶校验；101-逻辑逻辑0；111-逻辑逻辑100-5位；位；01-6位；位；10-7位；位；11-8位位线路状态寄存器LSR1-发送移位寄存器空发

19、送移位寄存器空1-发送保持寄存器空发送保持寄存器空D0D1D2D3D4D5D6D71-间断指示间断指示1-字符格式错字符格式错1-奇偶错奇偶错1-数据重叠错数据重叠错1-接收数据就绪接收数据就绪中断允许寄存器IERD0D1D2D3D4D5D6D71-允许允许“MODEM改变状态改变状态”中断中断1-允许允许“接收线路出错接收线路出错”中断中断1-允许允许“发送保持寄存器空发送保持寄存器空”中断中断1-允许允许“接收数据就绪接收数据就绪”中断中断中断识别寄存器IIRD0D1D2D3D4D5D6D7中断识别位中断识别位有无中断待处理有无中断待处理0-有；有；1-无无00-”MODEM改变状态改变状

20、态”中断中断01-”发送保持寄存器空发送保持寄存器空”中断中断10-”接收数据就绪接收数据就绪”中断中断11-”接收线路出错接收线路出错”中断中断MODEM控制寄存器MCRD0D1D2D3D4D5D6D7OUT2OUT1RTSDTR自环自环MODEM状态寄存器MSR振铃指示（振铃指示（RI）数据设备准备好（数据设备准备好（DSR）D0D1D2D3D4D5D6D7允许发送（允许发送（CTS）数据载波检测（数据载波检测（DDCD）振铃指示（振铃指示（TERI）数据设备准备好（数据设备准备好（DDSR）允许发送（允许发送（DCTS）数据载波检测（数据载波检测（DCD）8250在PC机中的应用TD R

21、D DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTS3种连线方式种连线方式 简化连接简化连接 3线连接线连接 完全连接完全连接 8250在PC机中的应用-硬件设计 PC/XT中采用两片Ins8250 PC/AT中采用两片Ns16450 目前的PC机中是将其与其它的模块集成在IDE卡或在主板上）。 D0D7D0D7A0A2A0A2DOSTRDISTRIOWIORA3A4A9AENMR

22、CS2RSOSCXTAL1OUT2INTR5VIRQ4SOUTSINDTRDSRRTSCTSRIRLSDRCLKBAUDOUT8250MC1488MC1488GND3F8H-3FFH8250在PC机中的应用-软件设计发送程序发送程序SENDC：接收程序接收程序RECEC：初始化程序初始化程序I8250:LCR7=1 DLRH/L=除数因子除数因子 LCR=ALIER=0 返回返回DTR、RTS=1 THR=AL CTS，DSR=1？THR=1？返回返回DTR、RTS=1 CTS，DSR=1？LSR0=1？AL=RBR返回返回YYNNNNYYUSB接口芯片+5v D+ D-GNDUSB接线器接线器USB收发器收发器串行接口串行接口 引擎引擎 (SIE)USB接口接口程序代码程序代码和数据和数据RAM通用微处理器通用微处理器 (8051)I/O端口端口EZ-USB地址总线地址总线数据总线数据总线张弘编著EZ-USB2131系列系列:内置微控制器内置微控制器8051、8KB EPROMUSB接口芯片 ISP1161的使用非常灵活，是一个单片通用的使用非常灵活，是一个单片通用USB主机控制主机控制器和设备控制器，器和设备控制器， USB I/F PC（host）USB I/FPP MemoryISP1161HOS