微机系统与接口：第5章 数字量输入输出5(串行IO)

1、第五章 数字量输入输出(5)*概念：总线、接口电路、接口芯片、端口地址 *中断及其处理 中断控制器8259 *定时器/计数器 *并行/串行I/O DMA电路与应用1串行I/O的学习要点串行I/O的基本概念、特点串行通信两种方式：同步/异步串行通信接口与标准异步串行通信接口芯片：8250/8251 目的源接收移位发送数 据2一、串行通信和串行I/O接口概念并行接口/通信（高速，多本地， 1米）位数=信号线数（例 LPT并口：位SPP标准并口,8位EPP增强并口 ）-回顾 RxD目的TxD源 0 1 0 0 1 0 1 1 (4BH)RxDTxDGNDGND串行（非本地，远程，中低速）例 电平传输

2、基本三线（T，R，GND） -握手 如何保证正确收发串行I/O:逐位串行方式（约定先低后高）接收移位发送3串行I/O（通信）基本概念本地接口：(I2C总线)串行EEPROM，RTC，ADC，DAC长线通信：长线驱动器/接收器（transmitter/receiver) -收发器transceiver三种传送模式：按照数据流的方向可分成单工/半双工/全双工全双工方式单工方式半双工方式4串行I/O（通信）基本概念信号的调制和解调:数字信号不适合长距离通信，信号畸变调制：数字信号模拟信号解调：模拟信号数字信号方式：调频、调幅、调相计算机MODEMMODEM1 0 1 010 10 10 10数字信号

3、模拟信号数字信号计算机5串行I/O（通信）基本概念数据终端（DTE）微机、终端机数据通信装置（DCE）MODEM计算机MODEMMODEM1 0 1 010 10 10 10数字信号模拟信号数字信号计算机6同步串行通信（Synchronous）：收发双方的时钟信号要求同步，带时钟发送。实现帧同步将数据组装成块，每次先发送一个或两个同步字符（SYN），接受方对同步字符确认后，开始传送数据块。数据块中的字符连续，没有空位。在串行数据线上，始终需要保持连续的字符，没有数据字符也要发专用的空闲字符。速率10K100KMbps，高效。收/发端时钟微弱差异累积也会导致通信失败硬件电路复杂。同步字符 字符1

4、 字符2 字符n 数据块串行通信方式：同步/异步7串行通信方式：同步/异步异步串行通信（Asynchronous）：收发取不同时钟（异步），速度约定；以字符（帧）为单位传输，一帧数据的各位之间时间间隔固定，而相邻帧的时间间隔不固定帧与帧之间不连续；收发双方规定遵循格式每帧增加标志位，每帧的收发靠起始位来进行同步；无须传送收发时钟低成本每帧需要额外传送标志位等低速（通信开销大）字符n字符1字符2.格式？8异步串行通信格式每个字符总是以起始位“0”开始，以停止/空闲位“1”结束。起始位数（1），数据位数（58），奇/偶/无校验（0,1），停止位数（1,1.5,2）靠起始位同步，同波特率，字符之间没

5、有时间间隔要求 串行异步通信格式（数据）t9异步串行通信的速率波特率：在串行通信中每秒钟传送的二进制脉冲的数目。即1波特=bit/s （位/秒）字符速率：每秒所传输的字符数。字符速率与波特率的关系：1个字符：1个起始位+8个数据位+1个偶数位+2个终止位=12位 如果波特率：12000 则字符速率：12000/12=1000字符/s 每一位的时间宽度：Td=1/1200=0.833ms字符是异步串行通信基本单位一般在509600波特，常见9600，4800，最高1920010异步串行通信接口标准EIA RS-232C信道电平（EIA电平，负逻辑定义）“1” 电平 -3V-25V， “0” 电平

6、 +3V+25V 串行接口芯片8250、8251均使用TTL电平，不兼容负逻辑，应使用电平转换电路与RS-232C连接器连接。MC1488长线驱动器：TTL电平RS232电平MC1489长线接收器： RS232电平TTL电平11异步串行通信接口标准（续）传输距离及通信速率最大传输距离为15m。传输数据速率不能高于20KbpsDB25/DB9（PC/AT标准） 例:3线标准连接TxD-RxD; RxD-TxD, GND-GND（RTS-CTS-DCD；DSR-DTR-RI）12异步串行通信接口标准（续）RS-422（差分电平+/-200mv 75176/174/175）RS-422是一个差分标准

7、，是为了弥补RS232的不足提出来的，改进了RS-232通讯距离短和速率低的缺点。RS-422将传输速率提高到了10Mbps，在速率低于1000Kbps时传输距离延长到4000英尺，（比RS232更强的驱动能力）允许连接最多10个接收器单机发送、多机接收。13异步串行通信接口标准（续）RS-485RS-485是在RS-422的基础上，为了扩展应用范围和通讯能力，增加了多点、双向通信能力，允许在电路中有多个发送器。增加了发送器的驱动能力和通讯冲突的保护特性，即允许一个发送器驱动多个接收器。14异步串行通信连接电路P285P286 D型插座151 载波检测 DCD2 接收数据 RXD3 发送数据

8、TXD4 数据终端准备好 DTR5 信号地 SG6 数据准备好 DSR7 请求发送 RTS8 清除发送 CTS9 振铃提示 RI RS232的标准9芯引脚 3线标准连接TxD-RxD; RxD-TxD, GND-GND（RTS-CTS-DCD；DSR-DTR-RI）传输控制：并/串（串并）转换，波特率，起始、停止、校验（位）、缓冲实现 (1)并口+软件控制 (2) 串行I/O专用控制芯片16二、异步串行通信控制（接口芯片：Ins8250， i8251）异步收发器UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 例Ins8250/NS16450

9、DIP40，+5V，最高625Kbps, 片内165535分频产生波特率。同步/异步收发器USART(Universal Synchronous and Aynchronous Receiver/Transmitter)例i8251A实验教材DIP40，+5V，C/D#（2个寄存器/口地址），RxRDY/TxRDY,同步64K/异步19.2K ,三挡分频产生波特率串行接口的基本结构是异步接收/发送器（UART）并行数据和串行数据之间的相互转换，检测串行通信在传送过程中可能发生错误。17UART内部结构RxDTxD接收时钟RxC发送时钟TxC传送出错标志：奇偶校验错误溢出错误帧格式错误数据总线1

10、8异步串行通信控制器接口芯片Ins8250与系统相连：D7D0：8位双向三态数据线DISTR，DISTR：数据输入选通信号接IORDOSTR，DOSTR：数据输出选通信号接IOWDDIS：驱动器禁止信号，输出MR：主复位信号INTRPT :中断请求信号，输出CS0，CS1，CS2：片选输入信号A2A0：地址输入信号/ADS：地址选通信号，输入片内译码，寄存器/端口地址19异步串行通信控制器接口芯片Ins8250与通信设备相连：SIN，SOUT: 串行输入/输出端CTS，RTS，DTR，DSR；OUT1, OUT2: 可由用户编程确定其状态的输出端XTAL1, XTAL2: 接外部晶振，作为基准

11、时钟fCLKBAUDOUT: 波特率信号输出（其频率是发送波特率的16倍）RCLK: 接收时钟输入（要求为接受波特率的16倍，可直接与BAUDOUT相连）发送时钟频率TxC XTAL1端输入信号频率fCLK 波特率除数寄存器值发送波特率发送时钟频率TxC 16 P289公式20Ins8250与CPU连接系统总线D7-D0DISTRDOSTRINTRPTMRA0A1A2ADSDISTRDOSTRCS2CS1CS0+5VCSD7-D0# IOR# IOWINTRRESETA0A1A2电平转换/驱动器14881489到RS232接口XTAL1XTAL2BAUDOUTRCLK SOUTSINRTSDT

12、RDSRDCDCTSRI8250XTAL82591M10M时钟，PC机: 外接1.8432MHz (内置波特率发生器，16分频+内分频)21Ins8250内部结构中断UARTMODEM16X波特率串行输出输入1.8432M(TTL)握手线RCLK22Ins8250内部寄存器接收寄存器RBR发送寄存器THR传输线控制寄存器LCR传输线状态寄存器LSR调制解调器控制寄存器MCR调制解调器状态寄存器MSR中断使能寄存器IER中断识别寄存器IIR分频系数（除数）（波特率因子）寄存器DLL及DLM3条地址线如何编码10个寄存器？DLABA2A1A0被访问的寄存器COM1地址0000RBR、THR3F8H

13、0001IER3F9H010IIR （只读）3FAH011LCR3FBH100MCR3FCH101LSR3FDH110MSR3FEH1000除数寄存器（低字节）3F8H1001除数寄存器（高字节）3F9HP289 表5.1023Ins8250寄存器线路控制传输线控制寄存器LCR P291 图5.55决定传输时的数据帧格式（通信双方必须一致） 24Ins8250寄存器线路状态传输线状态寄存器LSR P291 图5.56 反映传输时的通信线状态发送移位寄存器空发送寄存器空中止符检测帧格式错奇偶错溢出错接收数据就绪0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0传送出错标志：帧格式错误奇偶校验错误溢

14、出错误25分频系数（除数）寄存器DLL及DLM又称：波特率除数，波特率因子，分频系数发送波特率=fCLK 波特率除数寄存器值16设外部时钟频率为fclk，而8250所要求的波特率为F，则波特率除数可由以下公式求出：波特率除数fclk/（F16）时钟源频率fclk 为1.8432MHz分频系数=1843200/（波特率16）Ins8250寄存器波特率控制发送时钟频率P292 表5.1126调制解调器控制寄存器（MCR）P292 图5.57 实现通信过程中联络信号的生成MODEM状态寄存器（MSR） P293 图5.58反映了通信过程中联络信号的状态及变化Ins8250寄存器MODEM控制与状态2

15、7中断允许寄存器（IER） P293 图5.59Ins8250寄存器中断允许及识别四类中断：Modem状态变化、接受数据错、发送寄存器空、接受数据就绪（满）28中断识别寄存器（IIR） P294 图5.60只读Ins8250寄存器中断允许及识别29Ins8250工作过程发送 数据发送寄存器发送移位寄存器先低后高位Sout端串行移位送出。(Modem控制寄存器产生联络信号)条件: (1)Modem状态寄存器 (2)线路状态寄存器:数据发送移位寄存器空（D6），发送寄存器空（D5）30Ins8250工作过程接收 先低后高位Sin端串行移位接收移位寄存器数据接收缓冲寄存器。（每16个RCLK脉冲对应

16、一个数据位：10起始位采样8次为0 起始位有效（以后中点读）P290图5.54条件: 线路状态R:正确接收数据就绪(D0)=1，中止符检测（D4），帧格式（D3），校验（D2），溢出（D1）31Ins8250工作过程中断中断允许寄存器：接收数据就绪/发送寄存器空/接收错/Modem变化；内部4种中断源，在中断允许的前提下，（多个中断请求时）将当前优先级最高的中断识别码写入中断识别寄存器（D2、D1），有无中断（D0）；发出中断请求INTRPT。32Ins8250通信控制1.8250编程：初始化（波特率、格式）2.通信方式一：查询式（简单，低效）：先查线路状态R发送R空，再写3F8H发送R；接收

17、R就绪，再读3F8H接收R；3.通信方式二：中断：中断允许4种可选（复杂、高效，实时）问题：收、发均中断如何实现？33初始化编程（P294) MOV AL，10000000B;置LCR的D7（DLAB= 1） MOV DX，3FBH ;线路控制R地址 OUT DX，AL MOV AL，0CH ;置产生9600波特率，除数寄存器置低8位 MOV AX，3F8H OUT DX，AL MOV AL，00H ;除数寄存器置高8位 INC DX ;3F9H OUT DX，AL要求以9600波特率进行异步通讯，每字符8位，2个停止位，允许发送和接收中断。异步通讯的端口地址为3F8H3FFH1.8432M=

18、1843.2KHz/16/9600=12=000CH要求波特率误差30倍RxC/TxC，异步时CLK4.5倍RxC/TxC ）波特率时钟频率波特率因子异步时：1/16/64分频8251没有内置的波特率发生器，必须由外部产生建立波特率的时钟信号，TXC、RXC通常与8253连接38通用同步/异步收发器i8251AC/ D#信号用于选择控制状态端口(1)/数据端口(0)。数据输入输出寄存器合用一个端口，控制寄存器与状态寄存器合用一个端口。 (实验A0接C/ D#)SYNDET (Synchronous Detection)/BD(Break Detection)：同步检测/间断检测39通用同步/异

19、步收发器i8251A结构发送器过程： 发送器已准备好，TxRDY有效CPU写数据到82518251发数据 发送完毕，发送器空，TxEMPY有效40通用同步/异步收发器i8251A结构接收器过程：8251收数据 RxRDY有效 CPU读8251中断：外接电路（RxRDY+TxRDY)41428251的命令字与初始化编程模式控制字操作/状态控制字写按先后次序区分同步：模式字，同步字符（1或2个），操作字异步：模式字，操作字；操作控制字42（格式和同步/异步参数）方式控制指令i8251A模式寄存器S2S1EPPENL2L1B2B1 00：同步方式 01：异步方式（1） 10：异步方式（16） 11：

20、异步方式（64） 00：字符长度为5位 01：字符长度为6位 10：字符长度为7位 11：字符长度为8位1：带奇偶校验0：不带奇偶校验1：偶校验0：奇校验00 无效01 1位停止位10 1.5位停止位11 2位停止位11 1个同步字符，外同步SYNDET为输入10 1个同步字符，内同步SYNDET为输出01 2个同步字符，外同步SYNDET为输入00 2个同步字符，内同步SYNDET为输出异步方式：停止位数同步方式(可忽略)波特率因子43控制寄存器：搜索同步字符EN，内部复位IR，发送请求/RTS，出错复位ER，发空白字符SBRK，输入使能RxE (1允许) ，数据终端准备好/DTR，输出使能

21、TxEN(1允许)工作方式状态寄存器：数据通信装置就绪DSR(1=/DSR低电平) , SYNDET（同引脚） FE（Frame Err） OE（Overflow Err）, PE(Parity Err奇偶校验错误) TxE(同引脚，串发送器空) , RxRDY(同引脚，接收器准备就绪，1=有字符待取走-可作中断请求或查询联络线) TxRDY（1=输出缓冲区空）i8251A控制/状态寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0DSR SYNDET FE OE PE TxE RxRDY TxRDYENIRRTSERSBRK RxE DTR TxEN D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D044串行通信应用RS-232电平转换电路外设/微机编程实验课4546串行通信应用SNDINI：MOV DX，CTRL51 MOV AL，7FH ；将8251A定义为异步方式， OUT DX，AL ；8位数据，1位停止位，偶校验， MOV AL，11H ；取波特率系数为64，允许发送。 OUT DX，AL ；清错误标志，允许发送 MOV DI，SBUF ；发送数据块首地址设置发送指针 MOV CX，COUNT ；发送数据块字节数/计数值NEXT：MOV D