第9章 串行通信及串行接口

第9章串行通信与串行接口一、概述二、串行通信的基本概念三、串行接口四、串行传送的实现五、可编程异步通信接口芯片8250/8251六、IBMPC/XT异步通信适配器电路七、通用串行总线接口USB9.1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：数据各位同时在多根传输线上进行传送的通信方式。串行通信：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。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：仅需要一条传输线传输信息，传送速度较低，成本低，适合远距离的信息传输。串行数据通信系统模型计算机MODEM信道(传输线路)MODEM计算机或终端2.半双工通信：每次只有一个站发送，即只能由A发送到B，或由B发送到A，不能A和B同时发送。3.全双工通信：

同时两个站都能发送。站A站B站A站B（一）数据的传送方向

通常数据传送可分为：

1.单工通信：

只允许一个方向传输数据。站A站B2.信道的带宽

信道是电信号通过的路径，信道传输信号的频率范围称为信道的带宽（Bandwidth）。信道的带宽由——传输媒体；有关的附加设备；共同决定信号的频率；带宽的衡量——通常用一个信道的截止频率来衡量。

截止频率：当一些频率信号通过时,对某个频率信号产生较大衰减的频率。

1.信道——信号传输的通道，包括传输媒体及有关的中间通信设备。有线信道的传输媒体有架空线、同轴电缆、光导纤维等，考虑到传输时信号产生衰减，每隔一定距离要设置中继器等放大设备。（二）信道的带宽和传输速率3.传输速率

指一个信道每秒钟传送的二进制的位数。

（bitpersecond——bps）——波特率

信道的最大传输速率受信道的带宽的限制。异步通信传输速率为50~9600bps。（三）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300～3400Hz，不适合于数字信号。因此需要对二进制信号进行调制，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，还原成数字信号。调制：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的频谱。解调：将已经调制的信号恢复成原来的数字信号的过程。作用:调制器(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（Demodulator）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:最基本的调制方法有以下几种：（1）调幅（AM）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）调频（FM）

即载波频率随数字信号而变化“0”对应”f1”“1”对应“f2”(3)调相（PM）

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f1f2FMAM0100110度180度PM(四)串行通信的类型

在数据通信中，传输的对象是一系列的0，1，这些0，1在不同的位置有不同的含义，这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：

异步通信方式同步通信方式1.异步串行通信

在发送一个字符时，包含一个起始位，若干数据位，一个奇偶校验位，1~2位停止位。00/10/10/1111起始位

1位数据位

5、6、7、8位不等校验位

1位停止位1、1.5、2位不等空闲位一个帧结构

起始位：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。目的——是接收器和发送器能够同步工作。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。

奇偶校验位：检验数据的正确性。低位高位例如：传送一个字符“E”，（ASCⅡ码为：1000101B=45H）

11010100010

1

111起始位数据位校验位停止位空闲位停止位异步通信方式是按字符传输的，每个字符包含一个起始位，若干数据位，一个奇偶校验位，1~2位停止位。从一个字符到下一个字符之间，没有固定的时间间隔，故称之为异步传输方式。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时间内保持同步，以保证正确接收。

2.同步通信方式

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。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。在纪录的开始加同步字符，在纪录的末尾加出错校验字符，形成帧。~~~~同步字符同步字符数据数据数据校验码校验码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，首先搜索同步字符，在得到同步字符后，才开始装配数据。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，故硬件复杂。

同步方式常用于：计算机到计算机之间的通信；计算机到CRT/外设之间的通信。同步通信方式是以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）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。

常用的校验方法有：奇偶校验、循环冗余校验（CRC）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“1”的个数不符合规定，则传输错，由CPU进行处理。1.奇偶校验奇校验：当实际数据中“1”的个数为偶数的时候，这个校验位就是“1”，否则这个校验位就是“0”。偶校验：当实际数据中“1”的个数为偶数的时候，这个校验位就是“0”，否则这个校验位就是“1”。2.循环冗余校验（CRC）

它对一个数据块进行校验，主要用于同步方式。

（六）串行接口计算机MODEMMODEM计算机或终端信道（传输线路）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MODEM怎样连接？——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，这个接口的：

机械特性、电气特性、功能特性

都要遵循一定的规范，也就是要有一个标准。目前常用的标准是RS-232C标准，另外还有RS-422、RS-423、RS-449等标准。（七）RS-232C接口标准

RS-232C最初是为了使用公用电话网进行数据通信而制定的标准。

在发送端：通过调制解调器将表示为“1”、“0”的高低电平，转换成相应的高低频率的模拟信号，发送到公用电话网。在接受端：通过调制解调器，将公用电话网上的高低频率的模拟信号，转换成相应的表示为“1”、“0”高低电平，发送到终端。

RS-232C提供了一个利用电话网通过MODEM把远距离设备连接在一起完成通信的技术规范。

计算机MODEMMODEM计算机或终端信道（传输线路）RS-232CRS-232C•随着计算机的发展，除了上述连接，也可用RS-232C使计算机与终端直接相连。计算机终端RS-232C

1.

RS-232C标准

RS-232C提出了数据终端设备（DTC）和数据通信设备（DCE）之间串行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。

•机械特性：标准规定了使用一个25针标准连接器（插头座），或9针标准连接器（插头座），并对连接器的尺寸,每个针的排列位置做了明确规定。图9-1DB-25型连接器

•电气特性：标准规定，采用负逻辑

逻辑“1”信号，电平在–3V~-15V之间；逻辑“0”信号，电平在+3V~+15V之间；因此，使用RS-232C与微机接口时，需要将TTL电平（0~5V）与RS-232C电平（EIA电平）进行转换。可用现成的转换芯片（如MC1488、MC1489等）转换。

标准规定了RS-232C能连接的最大距离为15m。最大传输速率为20kbps。（八）、串行传送的实现

串行传送，数据是一位一位传送的：

发送时：将并行数据转换为串行的输出；

接收时：将串行数据转换成并行的，再进行处理。

目前，大多采用串行接口芯片来完成上述的转换工作。

通用异步接收器/发送器UART为了实现正常通信，UART是用外部时钟来实现发送和接收的数据同步。串行接口有两个独立的时钟信号，发送器时钟和接收器时钟。这两个时钟频率是数据位传输率的整数倍--波特率因子（波特率系数）外部时钟的周期TC和数据位传送的周期Td之间的关系如下：

TC=Td/K

其中，K=16，32或64。例：某串口的发送时钟频率为19200Hz，波特率因子为16，则发送器波特率为：19200/16=1200（波特）发送时钟和接收时钟9.2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（5—8位/字符）。对于异步传送，可选择每个字符的数据位数（5—8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0~64K

对异步传送0~19.2K全双工，双缓冲的发送器和接收器。具有三种错误检测功能：奇/偶，溢出和帧错误。2．8251的结构框图和引脚9.3.1USB连接的拓扑结构9.3通用串行总线接口USB9.3.2USB接口接头及引脚说明其插针的针脚功能定义如下：4针引脚的USB接头外形VBUSGNDD+D-9.3.3USB总线组成结构

（1）客户驱动软件层（2）USB驱动程序层（3）主控制器驱动程序（4）控制器（5）USB设备USB主控制系统功能由硬件层和软件层所组，如图所示。