第11章串行通信接口技术

第11章串行通信接口技术

11.1串行通信的基础11.2通用异步接收发送芯片INS825011.3通用的异步接收发送芯片NS1655011.4EIARS-232C串行通信接口11.5通用串行总线USB11.1串行通信的基础

11.1.1串行通信的基本概念1．数据传送方向（1）单工方式（Simplex）（2）半双工方式（HalfDuplex）（3）全双工方式（FullDuplex）2．波特率与收/发时钟（1）串行传输速率

所谓串行传输速率是指每秒钟传输二进制的位数，串行传输速率也叫波特率，1波特=1bps。（2）发送/接收时钟二进制数序列在串行通信中是以数字信号的形式出现的。对这些连续的数字信号的定时发送和接收，都必须在发送/接收时钟的控制下进行。发送/接收时钟频率与波特率的关系：发送/接收时钟频率=n×发送/接收波特率一般n=1，16，32，64，对于异步通信，常取波特因子n为16。1.异步通信及其协议异步通信以一个字符为传输单位，用起始位表示字符的开始，用停止位表示字符结束。异步通信是指字符与字符之间的传送是异步的。

11.1.2串行通信的两种基本方式

◆异步通信（AsynchronousDataCommunication）◆同步通信（SynchronousDataCommunication）起始位：一个逻辑“0”信号，表示开始传输一个字符。数据位：紧跟着起始位之后，数据位可为5～8位。停止位：一个数据传输结束标志，可以是1位、1.5位、2位的逻辑“1”电平。奇偶校验位：图11-2异步通信字符传送帧格式第n个字符第n+1个字符停止位（1、或1位半、或2位可有可无）起始位（1位）数据位（5～8）（先送最低位）奇偶校验位（可有可无）空闲位（不限）

00/10/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/111100/1LSBMSB2.同步通信同步通信是以数据块（字符块）为单位传送的，每个数据块经过格式化之后，形成一帧数据，作为一个整体进行发送与接收，因此，传送一旦开始，要求每帧数据内部的每一位都要同步。11.2通用异步接收发送芯片INS8250INS8250：传输速率一般不超过9.6Kbps。

NS16550A：支持115Kbps。设置了独立的先进先出（FIFO）发送和接收数据缓冲寄存器，都是16字节。11.2.18250的内部结构和引脚功能1．8250的内部结构◆面向CPU一侧：数据总线缓冲器和读写控制逻辑等。◆面向RS-232C一侧:右边有接收缓冲寄存器、发送保持寄存器等10个可编程的寄存器，还有接收与发送移位寄存器以及调制与解调控制逻辑电路等。RLSDRIOUT1OUT2INTRPTDSRDRT数据总线缓冲器读写控制逻辑发送保持寄存器发送移位寄存器接收缓冲寄存器接收移位寄存器通信线路控制寄存器通信线路状态寄存器除数寄存器高位除数寄存器低位MODE控制寄存器MODE状态寄存器中断允许寄存器中断识别寄存器波特率发生器中断控制逻辑调制解调控制逻辑内部数据总线D0~D7CS0CS1CS2A2A1A0ADSDISTRDISTRDOSTRDOSTRDDISMRSOUTSINXTAL2XTAL1BAUDOUTRCLKRTSCTS收、发同步控制图11-48250的内部结构图2．8250芯片引脚定义与功能（1）并行数据输入/输出组

D7～D0：双向数据线。

CS0、CS1、：芯片选择信号线。

A2～A0：用于选择8250内部的寄存器。：地址选通信号。

DISTR、：读控制线。

DOSTR、：写控制线。

DDIS：数据总线驱动器禁止输出信号线。（2）串行数据输入/输出组SOUT：串行数据输出线。SIN：串行数据输入线。XTAL1、XTAL2：XTAL1是外部时钟的输入引脚。：波特率输出线。工作时钟f=基准时钟f÷除数寄存器值

=16×实际使用的波特率

（11-1）例【11-1】设基准时钟f=1.8432MHZ，除数寄存器值=12，试计算：①工作时钟f是多少？②实际使用的波特率又是多少？解：工作时钟f=1.8432MHZ/12=153.6KHZ。实际使用的波特率=153.6KHZ÷16=9.6KHZ。（3）与通信设备联络的信号组：请求发送信号，输出。：数据终端准备好信号，输出。：数据装置准备好信号，输入。：清除发送，输入。：振铃指示信号。：载波检测。（4）中断请求、复位输入及其他信号

INTRPT：中断请求输出信号，高电平有效。、：输出1和输出2，两个输出端。MR:主复位线,该引脚输入高电平时,8250进入复位状态。2.TTL电平和RS-232C电平的转换(1)两种电平的大小见表11-1表11-1TTL电平和RS-232C电平的比较逻辑值TTL电平RS-232C电平备注00伏+3伏～+15伏PC机RS-232C接口一般是+10伏13.6伏左右-3伏～-15伏PC机RS-232C接口一般是-10伏（2）集成的TTL电平和RS-232C电平转换的芯片MAX232

▲可以将两路RS-232C电平分别转换成两路TTL电平。▲可以将两路TTL电平分别转换成两路RS-232C电平。＝＝＝＝＝1μf（105）电容

+5V1μf（105）电容

1μf（105）电容

1μf（105）电容

1μf（105）电容

RS-232电平C1++5V+10VC1-倍增器V+C2+变换器V-C2-+10V-10VTTL/CMOS电平RS-232电平TTL/CMOS电平R2INT1INT2INR1INR2OUTT2OUTR1OUTT1OUT+5V+5V5K5K400K图11-7MAX232内部逻辑结构图3．8250的寻址及连接

8250内部有10个可访问的寄存器，在片选信号CS0=1、CS1=1、=0时，选中8250，由芯片的寄存器选择输入端A2～A0来确定访问8个寄存器的哪一个？还缺少两个端口地址，解决的办法：①发送保持寄存器和接收数据寄存器共享一个端口地址，读/写信号线参加端口地址译码。②线路控制寄存器（LCR）的最高位（DLAB位）称之为除数锁存位。利用DLAB位的“1”和“0”状态，分时使用同一个端口地址。

表11-28250内部寄存器端口地址适配器地址DLABA2A1A0访问寄存器名称3F8H0000接收数据寄存器（RDR）（读）发送保持寄存器（THR）（写）3F9H0001中断允许寄存器（IER）3F8H1000波特率除数锁存器（BRDL）（低字节）3F9H1001波特率除数锁存器（BRDH）（高字节）3FAH×010中断识别寄存器（IIR）（只读）3FBH×011线路控制寄存器（LCR）3FCH×100MODEM控制寄存器（MCR）3FDH×101线路状态寄存器（LSR）3FEH×110MODEM状态寄存器（MSR）3FFH×111不用11.2.28250的寄存器

▲8250有线路控制寄存器、波特率除数锁存器（低字节）、波特率除数锁存器（高字节）、中断允许寄存器及MODEM控制寄存器共计5个寄存器，必须编程初始化。▲3个状态寄存器分别是：中断识别寄存器、线路状态寄存器及MODEM状态寄存器，供读出使用。

1.发送保持寄存器THR（3F8H）：发送数据时，由CPU将数据写入该寄存器中。

2.接收数据寄存器RDR（3F8H）：当8250接收到完整的一帧信息时，便自动将一帧信息中的数据位由接收移位寄存器传送到接收数据寄存器中。3.波特率除数锁存器BRD（3F8H，3F9H）描述波特率除数BRD、波特率Band以及输入时钟频率三者之间的关系如下：

BRD=时钟频率/（16×Band）（11-2）

例【11-2】

当使用UART的内部时钟为1.8432MHz时（或由外部通过引脚输入），计算波特率为4800bps的波特率除数值。解：BRD=1843200/（16×4800）=0018HPC/XT机波特率与除数的对应关系如表11-3所示：表11-3波特率与除数对照表波特率（bps）除数锁存器的值波特率（bps）除数锁存器的值BRDHBRDLBRDHBRDL5009H00H180000H40H7506H00H200000H3AH11004H17H240000H30H15003H00H360000H20H30001H80H480000H18H60000HC0H720000H10H120000H60H960000H0CH例【11-3】若选取波特率为4800bps，则从表10-3可查得相应的高8位除数值为00H，低8位除数值为18H，按照先送低字节，后送高字节的顺序装入除数锁存器中。编写程序为：

mov

dx，3fbh；置lcr的地址

moval，80h ；置d7=1，表示允许访问brdoutdx，al

mov

dx，3f8h；除数锁存器（低字节）的；地址

moval，18h；除数锁存器的低字节

outdx，al

mov

dx，3f9h；除数锁存器（高字节）的；地址

moval，00h；除数锁存器的高字节

outdx，al

mov

dx，3fbh

moval，03h；置d7=0，表示禁止访；问brd，送入实际的lcroutdx，al4.通信线路控制器LCR（3FBH）通信线路控制寄存器指定串行异步通信的字符格式，即数据位个数、停止位个数，是否进行奇偶校验以及何种校验等。图11-9通信线路控制寄存器

LCRDLABSBBKSPBEPSPENSTBWLSIWLS0

D7D6D5D4D3D2D1D0寄存器选择0正常值1选择除数寄存器停止位个数

01位

11.5位（数据位为5位时）

12位（数据位为6～8位时）中止字符控制0无作用1发送中止字符数据位个数

005位

016位

107位

118位

××0无校验位

001设置奇校验

011设置偶校验

101校验位为1111校验位为0例【11-4】通信线路控制寄存器（LCR）的编程，设置发送数据位为8位，2位停止位，1位偶校验，其程序段为：

mov

dx，3fbh；lcr的地址

moval，00011111b；lcr内容数据格式参数

outdx，al5.通信线路状态寄存器LSR（3FDH）通信线路状态寄存器提供串行异步通信的当前状态。供CPU读取和判断，LSR各位的定义如图11-10所示。图11-10通信线路状态寄存器

D7D6D5D4D3D2D1D0

LSR0TSRETHREBIFEPEOEDR

=1，表示已经接收到一个数据，当CPU取走数据后，自动复位=1，表示发送保持寄存器空=1，表示出现溢出错=1，表示出现奇偶错=1，表示出现帧格式错=1，表示正在传送中止符=1，表示发送移位寄存器空6.MODEM控制寄存器MCR（3FCH）

MODEM控制寄存器MCR用来设置与调制解调器的联络信号和芯片自检。MCR的各位定义如图11-11所示。

D7D6D5D4D3D2D1D0

MCR000LOOPOUT2OUT1RTSDTR

=1，使DTR引脚为低，否则为高=1，使RTR引脚为低，否则为高=1，使OUT1引脚为低，否则为高=1，使OUT2引脚为低，否则为高=1，使8250处于自发自收状态，否则为正常工作方式图11-11MODEM控制寄存器例【11-6】通过8250的自发自收，实现串行通信接口的自诊断，主要程序段为：

mov

dx，3fch；mcr的地址

moval，00010011b；loop位置“1”outdx，al7.MODEM状态寄存器MSR（3FEH）

MODEM状态寄存器的格式如图11-12所示。

D7D6D5D4D3D2D1D0

MSRRLSDRIDSRCTS△RLSD△RI△DSR△CTS=1，表示上次读此寄存器后，CTS引脚已改变状态=1，表示RI引脚由接通变为断开图11-12MODEM状态寄存器=1，表示上次读此寄存器后，RLSD引脚已改变状态=1，表示上次读此寄存器后，DSR引脚已改变状态=1，表示RLSD引脚为低=1，表示RI引脚为低=1，表示DSR引脚为低=1，表示CTS引脚为低8.中断识别寄存器IIR（3FAH）

D7D6D5D4D3D2D1D0

IIR00000

=1,无中断=0，有尚未有处理的中断=11，接收数据出错中断，读线路状态后复位，1优先级=10，接收数据就绪中断，读数据后复位，2优先级=01，发送保持寄存器空中断，写入数据后复位或读中断标识器后复位，3优先级=00，MODEM状态改变中断，读MODEM状态后复位，4优先级图11-13中断识别寄存器8250内部有4级中断，但只有一根中断申请输出线，当8250的4级中断中有一级或多级出现时，需要辨别是哪一级中断，以便分别进行处理。9.中断允许寄存器IER（3F9H）

8250的10个中断源所提出的中断请求被允许还是被禁止，由中断允许寄存器IER的低4位控制，每位控制一个优先级的所有中断源，中断允许寄存器的格式如图11-14所示。图11-14中断允许寄存器

D7～D4D3D2D1D0IER0000EDSIELSIETBEIERBFI调制解调器状态改变中断接收线路状态中断发送保持寄存器空中断接收数据准备好中断结果送指定处写入通信线路控制字LCR，使DLAB=1写除数锁存器低8位

设置MODEN控制寄存器

写除数锁存器高8位

写入当前要使用的通信线路控制字LCR，使DLAB=0设置中断允许寄存器图11-158250初始化顺序

11.2.38250的初始化编程利用8250进行通信时，首先要对8250进行初始化，比如，设置波特率、数据通信的格式，是否允许中断等。11.3通用的异步接收发送芯片NS16550①16550在功能上与8250兼容，它和8250相同，也采用40管脚引线、DIP封装，40条引脚只有两条引脚被重新定义，其他完全相同。②16550内部的功能部件新增的接收器和发送器都拥有一个先进先出的FIFO存储器，其大小都是16个字节。③于是16550增加了只用于写操作的一个FIFO控制寄存器(FCR)。④对8250的6个寄存器的内容增加了新的定义。11.3.116550的内部结构和引脚功能1.引脚16550相对8250芯片，只新定义的两条引脚：将8250的29脚（NC）定义为；原片选输出CSOUT（24脚）定义为；其他均不改变。：接收数据准备就绪信号，输出，低电平有效。：发送器准备就绪信号，输出，低电平有效。2.内部结构16550内部结构图如11-16所示。图11-1616550内部结构图11.3.216550的寄存器及编程应用1.16550的寄存器①新增的FCR与中断识别寄存器共用一个地址（3FAH），不过FCR是写端口，中断识别寄存器是读端口。②暂存寄存器使用8250末用的地址（3FFH），其他寄存器地址与8250相同。（1）FIFO控制寄存器FCR（3FAH）

FCR各位的定义如图11-17所示。

D0D1D2D3D4D5D6D7FIFO允许DMA模式选择接收中断触发值保留发送FIFO复位图11-17FCR各位的定义保留接收FIFO复位︸（2）发送保持寄存器THR（3F8H）发送部分由发送移位寄存器和发送保持寄存器组成。（3）接收缓冲寄存器RBR（3F8H）接收部分由接收移位寄存器RSR和接收缓冲寄存器RBR组成。（4）波特率除数锁存器BRD（3F8H，3F9H）与8250波特率除数锁存器的内容相同。表11-5部分扩充波特率与除数的对照表波特率（bps）除数锁存器的值BRDHBRDL19.2K00H06H38.4K00H03H57.6K00H02H115.2K00H01H（5）通信线路控制器LCR（3FBH）16550和8250的通信线路控制寄存器的内容相同。（6）通信线路状态寄存器LSR（3FDH）

16550和8250的通信线路状态寄存器一样，它提供串行异步通信的当前状态，供CPU读取和判断，由于16550新增了接收FIFO缓冲队列，对部分位的定义新增了解释。请参考8250状态寄存器的图。（7）MODEM状态寄存器MSR（3FEH）该寄存器的内容与8250的MSR相同。（8）中断识别寄存器IIR（3FAH）中断识别寄存器的格式如图11-18所示。

D0D1D2D3D4D5D6D7未来中断位：

0，已来中断

1，未来中断ID0图11-1816550中断识别寄存器000IDIDPN中断识别控制位，参考表11-6（9）中断允许寄存器IER（3F9H）

中断允许寄存器IER的格式与8250的IER相同，同样用IER的低四位控制四个中断优先级所对应的11个中断源允许中断与否（见表11-6）。

2．FIFO中断方式操作（1）发送中断当使用发送FIFO缓冲器和发送中断允许时，一旦发送FIFO缓冲器为空时，则产生发送保持器空的中断。在中断服务程序中，只要把数据写入FIFO中，或中断识别寄存器被读出时，该中断立即被清除。（2）接收中断一旦接收FIFO已经达到编程的触发值时，则向CPU发出接收数据可用的中断请求。（3）接收FIFO超时中断为什么要设置超时中断呢？如果接收FIFO中又流入少于8个字节的数据流，而且，接收任务已结束，收到的这少于8个字符就会停留在接收FIFO中，这是因为达不到触发值，所以，设置超时中断，能够不丢失数据。例【11-8】设串行通信的波特率是600bps，字符长12位，求8个字符所占用时间。解：8个字符所占用时间=(12×8)bps×1000mS/600bps=160mS例【11-9】设16550工作在FIFO方式，波特率19.2Kb，8位数据位，1位数据位，1位奇校验，中断触发值是8字节，使用中断方式编写发送和接收中断服务程序以及初始化程序。（1）16550的初始化编程，其编程顺序与8250的相同。

lcr

equ3fbh；通信线路控制字地址

lsr

equ3fdh；通信线路状态字地址

lsb

equ3f8h；除数锁存器低8位地址

msb

equ3f9h；除数锁存器高8位地址

fcr

equ3fah；fifo控制字地址

rbr

equ3f8h；接收缓冲寄存器地址

ier

equ3f9h；中断允许寄存器地址

iir

equ3fah；中断识别寄存器地址

thr

equ3f8h；发送保持寄存器地址

revbufdb1024dup(0)

；设置接收存储缓冲区

txtbufdb1,2,3,4,5,6,7,8

；设置发送存储缓冲区

initia：mov

dx,lcr

；通信线路控制字地址；传送给dx

moval,80h；设dlab=1outdx,al

mov

dx,lsb

；低8位锁存器地址传送给dx

moval,06h；低8位除数

outdx,al

mov

dx,msb

；高8位锁存器地址传送给dx

moval,00h；高8位除数

outdx,al

mov

dx,lcr

；通信线路控制字地址传送给dx

moval,0bh；奇校验，1位停止位，8位数据位

outdx,al

mov

dx,fcr

；fifo控制字地址传送给dx

moval,87h；允许fifo方式，清除接；收和发送fifo，禁止dma操作

outdx,al

；中断触发值为8

mov

dx,ier

；中断允许寄存器地址传送给dx

moval,03h；只允许接收和发送中断

outdx,alwait:jmpwait中断接收与发送程序参见教材。11.4EIARS-232C串行通信接口11.4.1RS-232C串行通信接口标准1.RS-232C串行通信接口的信号线

RS-232C串行通信接口的信号线共25根，其中只定义了22根。这22根信号线又分为主、辅两个信道，大多数微机串行通信系统中都只使用主信道的信号线。表11-8DB9“D”型插座脚号定义表脚号信号名缩写名方向与功能说明1数据载体检出DCDDTE←DCE，DCE正在接收通信链路的信号2接收数据RxDDTE←DCE，数据终端设备接收串行数据3发送数据TxDDTE→DCE，数据终端设备发送串行数据4数据终端就绪DTRDTE→DCE，数据终端设备就绪5信号地SG无方向信号地，所有信号的公共地端6数传机就绪DSRDTE←DCE，DCE应答DTE，DCE准备就绪7请求发送RTSDTE→DCE，数据终端设备请求数据通信设备切换到发送方向8清除发送CTSDTE←DCE，DCE应答DTE，DCE已切换到发送方向9振铃指示器RIDTE←DCE，DCE通知DTE，通信链路有振铃，DTE已被呼叫2．RS-232C串行通信接口的机械特性

RS-232C串行通信接口的机械特性：微机的RS-232C接口通向外部的连接器是一种标准的“D”型插针，分为25针和9针等，针与针之间的间距及外形尺寸均有固定的大小。参见图11-19和图11-20。3．RS-232C串行通信接口的电气特性①

RS-232C串行通信接口的电气特性参见表11-9所示。②在RTS、CTS、DSR、DTR和CD等控制线上，

信号有效：ON状态，电压在+3～+15V之间；信号无效：OFF状态，电压为-3～-15V之间。4.RS-232C串行通信接口主要技术指标▲最大传输速率▲通信可靠距离11.4.2RS-232C串行通信接口的应用例【11-10】在例【11-6】编写了初始化程序的基础上，选用查询方式通信，按照子程序的结构，编写发送一个字符的子程序以及接收一个字符的子程序。1）编写发送一个字符的子程序。（采用查询方式发送字符）

ins_tranprocnear；定义过程（子程序）开始

pushax；ax值入堆栈，保护寄存器ax值

movdx,3fdh；线路状态寄存器lsr的地址送dxtran1:inal,dx

；读lsr的值

testal,20h；仅保留d5位的值不变，查询

；thre位的状态

jztran1；如果结果为零，说明d5位=0，；转至tran1

mov

al,[si]；d5位=1，发送保持寄存器空，；从内存取出一个字符发送

incsi

；地址指针加1，指向下一个待发；送的字符

movdx,3f8h；发送保持寄存器thr的地址送dxoutdx,al

；写入发送保持寄存器

popax；恢复ax的值ins_tran

endp

；定义过程（子程序）结束

2）编写接收一个字符的子程序。（采用查询方式接收字符）ins_recvprocnear；定义过程（子程序）开始

pushax；ax值入堆栈，保护寄存器ax值

movdx,3fdh；线路状态寄存器lsr的地址送dxrecv1:inal,dx

；读lsr的值

testal,00000001B；仅查询d0位的状态

jzrecv1；如果结果为零，说明d0位

；=0，转recv1

movdx,3f8h；d0位=1,接收缓冲寄存器；的地址送dxinal,dx

；读接收缓冲寄存器

mov[di],al

；接收到的字符存入内存

incdi

；地址指针加1，指向下一；个待存入字符的地址

popax；恢复ax的值ins_recv

endp

；定义过程（子程序）结束11.5通用串行总线USB

11.5.1USB的简介

11.5.2USB的性能特点1．支持即插即用所谓即插即用（plugandpiay,PnP），是指在Windows等操作系统运行的情况下，就可以插入或拔出USB设备，能够实现“热插拔”操作，即USB接口支持“热插拔”技术。2．扩充外设能力强，可支持多达127个外部设备两个外设间的距离可达5米，扩充方便。3．传输速度快，而且支持多种操作速度USB支持低速1.5Mb/s、全速12Mb/s、高达480Mb/s。

接口类型数据格式传输速率电缆长度支持热插拔RS232接口串行20kb/s≤30m否RS485接口串行10Mb/s≤1200m否USB接口串行1.5Mb/s、12Mb/s、480Mb/s及更高≤5m是以太网接口串行10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s≤500m否IEEE-1394接口串行400Mb/s、3.2Gb/s≤4.5m是表11-10常用计算机串行接口性能表4．连接简单快捷

USB连接简单快捷，可以进行热插拔。

5．通用连接器6．无须外接电源11.5.3USB与PCI总线的连接USB与PCI总线的连接如图11-23所示。

图11-23USB与PCI总线的连接主机PCI桥等光驱鼠标键盘接口适配器IDE接口适配器以太网适配器CPU硬盘显示适配器显示设备USB设备USB集线器USB主控器/根集线器内存储器器PCI总线网络

1.USB主机

USB主机包括USB主控器，能够控制完成主机与USB设备之间进行数据传输的设备称之为USB主机。

微机上的USB主机是由USB主控器/根集线器、USB系统软件和用户软件三部分组成。

2.USB设备

一个完整的USB应用系统由USB主机、USB电缆和USB设备组成，参见图11-25所示。

USB设备主要包括U盘、MP3、USB鼠标及USB键盘等，在USB总线系统中，一般称它们为USB设备。

3．USB接口的信号线与电源指示

在USB主机上是USB插座，而在USB设备上是USB插头，下图是USB插头示意图。

11.5.4USB的描述符

1．管道与端点

管道是从逻辑概念上来描述信息传输的通道。USB支持功能性和控制性的数据传输，这些传输发生在主机软件和USB设备的端点之间，我们把主机软件和USB设备的端点一起称为管道。

2．USB的描述符在USB协议中，根据不同类型的设备设置了相应的描述符，包括三类描述符：①USB标准设备的描述符；②USB集线器的描述符；③HID（HumenInterfaceDevices）设备的描述符，即人机接口设备描述符。11.5.5USB系统组成及拓扑结构

1．USB系统的组成

USB系统包括硬件和软件两部分：

（1）USB硬件部分

PC主机主控制器PC主机/根集线器根集线器级联0集线器（复合）设备