串行通讯接口课件

第7章串行通讯接口主讲老师：张伟民本章概述串行接口为外部设备提供了能使信息串行逐位传送的输入输出端口，广泛应用于微机与外部设备之间的远距离通信。本章将介绍串行接口的基本结构、功能及工作原理，并通过一些串行接口的设计实例，介绍串行接口电路的基本设计方法。教学目标1.理解全双工方式和半双工方式。2.能叙述同步方式和异步方式的区别。3.了解串行通讯的接口标准。4.了解串行通信接口的任务及组成。学习内容1.串行通信的概念及协议

2.串行接口标准串行通讯的接口标准重点难点§7.1串行传送的基本概念§7.2串行通信的数据格式

§7.3串行通讯的接口标准§7.4串行通信接口的任务及组成学习方法结合并行通信接口的特点来比较学习串行通讯，总结其特点及应用。7.1串行传送的基本概念串行通信的特点：只须一对传送线，较并行传送节省传输线，特别是位数多、距离远时，此优点更显著，可借用现有的通讯线路。有固定的数据传输协议。线上的通信信号一般不是TTL电平，因此与CPU通信必需进行电平转换。传送信息的速率要求双方约定。缺点：传送速度比并行慢，并行需时间T，则串行为NT（位）。7.1串行传送的基本概念（续1）计算机计算机或外设发送10010010串行送的特点7.1串行传送的基本概念（续2）串行通信中，数据通常是在二个站（点对点）之间进行传送，将数据从一个地方传送到另一个地方，须使用通信线路，数据在通信线路的两端，即两工作站之间传送，按其通信方式，可将数据传输线路分成3种：单工(SingleDuplex）

半双工(HalfDuplex)

全双工(FullDuplex)串行数据传送的方向发送接收特点：信息只能沿一个方向传送，使用一根传输线。应用：电视发射台7.1串行传送的基本概念（续3）1.单工(SingleDuplex）发送器接收器发送器接收器A站B站图9.2半双工方式示意图7.1串行传送的基本概念（续4）2.半双工（HalfDuplex）使用同一根传输线，既可发送数据又可接收数据，但不能同时。如图9.2所示：特点：①通信双方各有一个收/发切换电子开关，双方均可进行数据的接收和发送。②只需要一根传输线。

③因有切换，会产生时间延迟应用：打印机串口，单向传送设备，发送器→接收器7.1串行传送的基本概念（续5）发送接收图9.3调制电话线特点：①每一端都有发送器和接收器②有二条传送线应用：交互式应用，远程监测控制7.1串行传送的基本概念（续6）

3.全双工（FullDuplex）7.1串行传送的基本概念（续7）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，不适合于数据信号。MODEMMODEM模拟信号数字信号数字信号CRT10101010

10

10信号的调制和解调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。

1.发送采用调制器（Modulator）把数字信号转换为模拟信号，送到通信链路上。

2.接收器再通过解调器（Demodulator）把模拟信号转换为数字信号。7.1串行传送的基本概念（续8）7.1串行传送的基本概念（续9）调制器的类型：调频和调相1）振幅键控（ASK）2）频移键控（FSK）3）相移键控（PSK）

－＋输出（FSK)S1S21频率1频率2PATA频移键控调制原理图7.1串行传送的基本概念（续10）7.1串行传送的基本概念（续11）信息的检错与纠错由于干扰而引起误码是难免的，这直接影响通信系统的可靠性，对通信中的检/纠错能力是衡量一个通信系统的重要内容。如何发现传输中的错误－－检错发现错误之后，如何消除错误－－纠错常用检错方法：

1、奇偶校验

2、方阵码

3、CRC循环冗余7.1串行传送的基本概念（续12）（1）串行传输速率串行传输速率也称波特率（BaudRate）每秒传输的二进制位数bps字符中每个二进制位持续的时间长度都一样，为数据传输速率的倒数过去，串行异步通信的数据传输速率限制在50bps到9600bps之间。现在，可以达到115200bps或更高波特率与收发时钟7.1串行传送的基本概念（续13）字符速率：每秒钟传输的字符数。波特率：指单位时间内传送二进制数据的位数。单位为：b/s例１: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1200/10＝120个。字符速率与波特率两者的关系7.1串行传送的基本概念（续14）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，但不用奇偶校验，那么，传输100个字符所用的时间为7(100+4)/1200＝0.6067s，这就是说，每秒钟能传输的字符数可达到100/0.6067＝165个。 可见，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。7.1串行传送的基本概念（续15）发送/接收时钟频率与波特率之间的关系为：发送/接收时钟频率=n发送/接收波特率其中n称为波特因子，一般n=1，16，32，64例：要求传输速率为1200bps

当选择n=16时，表明一位数字信号中有16个时钟脉冲，故发送/接收时钟频率为：

120016=19.2kHz（2）发送/接收时钟7.1串行传送的基本概念（续16）在串行通信中，有两种最基本的通信方式：同步通信（SynchronousDataCommunication）异步通信（AsynchronousDataCommunication）串行通信的两种基本方式通信协议：是指通信双方的一种约定，为使数据通信能够顺利进行，而在通信双方间就如何交换信息而建立的一些规定和过程，称为数据通信控制规程或称传输控制规程，在计算机网络中称为协定。数据通信控制规程包括对数据格式、同步方式，传送速度、传送步骤、检纠错方式等问题作出统一规定。7.1串行传送的基本概念（续17）串行通信的规程7.1串行传送的基本概念（续18）③ISO的HDLC（HighLevelDatalinkControl）高级数据链路控制规程。④DEC公司DDCMP（DigitalDataCommunicationMessageprotocol）。面向比特的同步通信规程最有代表性的是：①IBM的SDLC（SynchronousDataLinkControl），同步数据链路控制规程。②ANSI的ADCCP（AdvancedDataCommunicationControlProcedure）。7.1串行传送的基本概念（续19）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。（1）异步通信及其协议7.1串行传送的基本概念（续20）串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送。收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题。串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协议是起止式异步通信协议。7.1串行传送的基本概念（续21）

a.以一个字符为单位传送。

b.传送时对每个被传送字符有一定的格式要求(如:起始位,终止位等)。

c.被传送字符的每一位位宽恒定，各位之间无间隔。而各字符之间的时间间隔可任意改变。（间隔时间用空闲位填充）。

d.是一种不规则的随机传送，常常用于不规则产生数据的设备中或者不规则的远程通信中。e.联络信号附加于被传送的字符中。（1）异步通信特点（总结）“异步”——主要体现在通信过程中字符与字符之间没有严格的定时要求，通信双方是通过收/发双方事先约定的收/发波特率和字符格式、且在收/发时钟信号作用下，实现被传送字符的位同步的。7.1串行传送的基本概念（续22）注意：因每个ASCLL码字符只占7位，其余3位为辅助位。所以实际信息传速率是低于传输波特率的。为了提高数据传送速率，就要考虑去掉被传送字符中的辅助位，于是有了同步传送方式。7.1串行传送的基本概念（续23）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。……………SYN字符1SYN字符2数据具体格式如下：“同步“——通信过程中，要求字符与字符之间以及字符内部的位与位之间都必须同步。为达到这一目的，要求收、发双方必须使用同一时钟对被传输信息定位。（2）同步通信及其协议7.1串行传送的基本概念（续24）特点：①以数据流为单位进行传送，每个数据流（即每帧）中有成百上千个字符。②以同步字符作为传送的开始，同步字符可由用户确定。③每位占用时间相等。④数据流之间不允许有空隙，当线路空闲或无数据可发时，发送同步字符。⑤收/发时钟频率=收/发波特率。7.2异步通信的数据格式（一）面向字符的同步通信数据格式1.功能：是一次传送由若干个字符组成的数据块，并且规定了10个特殊字符作为这个数据块的开头与结束标志,以及整个传输过程的控制信息,即控制字。SYNSYNSOH标题STX数据块ETB/ETX块校验2.数据格式（一帧）3.特定字符的定义见书P2137.2异步通信的数据格式（续1）

4.特点：①一次传送是一个数据块，传输效率提高了；②采用了一些传输控制字，增加了通信控制能力和校验能力；③存在问题：由于数据字符与特定字符可能代码相同，发生误解.数据透明:协议具有将特定字符作为普通数据处理的能力，即数据透明。数据透明的实现:协议中设置了转义字符DLE,将特定字符作为普通数据处理时,在它的前面加DLE;当DLE出现在数据中时,同样要在其前面加DLE。7.2异步通信的数据格式（续2）1.特点：

1）所传输的一帧（frame）数据（或称数据包）可以是任意二进制位。

2）通过约定的位组合模式（标志字节）来标志帧的开始和结束。

3）一帧之内不允许出现数据间隔,帧与帧之间可用连续的标志字符或是高电平填充。（二）面向比特的同步通信数据格式（P.214）7.2异步通信的数据格式（续3）结束标志校验场信息场控制场地址场开始标志01111110FC1CA011111108位8位8位16位8位≥0位2.HDLC格式：各“位组合模式”具体含义如下：（1）标志场：

SDLC/HDLC规定所有信息传输必须以一个标志字节开始，且以同一个字节结束，这个字节为01111110，二个标志字节之间构成一个完整的信息单位，称为一帧（frame）。（2）地址场：（AddressField）

A场用来规定与之通信的次站的地址。

A场的宽度：8（SDLC规定）任意长度（HDLC规定）7.2异步通信的数据格式（续4）（3）控制场（ControlField）

用来规定若干命令。（8位：SDLC16位：HDLC）（4）信息场（InformationField）

包含有要传送的数据，当此场为0时，则这一帧主要是控制命令。7.2异步通信的数据格式（续5）3.实际应用时的两个技术问题（1）“0”位插入/删除技术存在问题的提出：HDLC协议规定,以01111110为标志字符，但信息场中也可能出现同样模式的字符,为了把它们区别开，采用了“0”位插入和删除技术。方法：发送信息时遇到连续5个“1”就自动插入一个“0”。如：原始插入后删除后

01111110011111010011111101111111111111011111111111

（2）SDLC/HDLC异常结束若在发送过程中出现错误，则用异常结束符（A60H）结束。7.2异步通信的数据格式（续6）7.3串行接口标准数据通信的整个过程可视作是通过一系列串行接口和传输信道将信息传送到目的地的过程。为使现这一过程的规范化及准确无误，有了许多接口的“标准”和接口信号的“推荐做法‘。接口标准主要有：

RS—232、RS—422、RS—485、X·21、X·25它们都是根据不同的推荐标准而设计出来的接口标准。各接口标准均包含4个方面内容：①接口的机械性能②接口间的电气特性③接口各信号的功能④具体应用时接口信号的连接7.3串行接口标准（续1）串行接口标准一、EIA-RS-232接口标准

RS-232标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的，1969年公布的通信协议，适合的数传率：0～20Kbps

RS—232的确切定义是：“数据DTE终端设备与数据通信设备采用串行二进制数据交换的接口。”

RS—232标准接口的电气特性定义了有关电压、电流一些特殊的电气信号以及接口间的信号类型等标准。7.3串行接口标准（续2）7.3串行接口标准（续3）⒈电气特①逻辑信号电平：（负逻辑！）在TXD和RXD线上传送的信号。“1”（MARK）：－3V～－15V“0”（SPACE）：+3V～+15V

两者在TXD和RXD线上传送。1.电气特性与TTL逻辑电平不一样，可用TTL/EIA电平转换器进行，如MC1488，MC1489IC。②控制信号电平：（正逻辑！）有效（接通ON状态）：+3V+15V无效（断开OFF状态）：－3V～—15V在RTS、CTS、DSR、DTR、DCD线上传送7.3串行接口标准（续4）

图9。13是内部逻辑框图，从图可知道，一个MAX232芯片了连接两对收/发线。MAX232把UASRT的TxD和RxD端TTL/CMOS电平（0～5V）转换成RS---232的电平（+10~~~+10）。7.3串行接口标准（续5）RS---232T1OUTT2OUTRS---232R1INQ2INT1INT2INR1OUTR2OUTTTL/CMOSTTL/CMOS+5V+5VC1++5V~+10VC1-倍增器V+C2+变换器V-C2-+10V~-10V+5V7.3串行接口标准（续6）

2.机械特性——包括信号对引脚的分配、插头的类型，来规定插头的形状及引脚安排。（1）连接器分为：扁平电缆——DB—25针多芯片电缆——DB—9针只用9个信号（2个数据线，6个控制线，1个地址如下图所示。7.3串行接口标准（续7）1234DB-25型连接器5678911132522201814发送电流（-）发送电流（+）DCDGNDDSRCTSRTSRXDTXD（-）接收电流（+）接收电流123456789DSRRTSCTSRIDCDRXDTXDDTRGNDDB-9型连接器7.3串行接口标准（续8）②DB-9型9针，9针全用，如下图。

（2）电缆长度

RS-232直接连接的最大物理距离15M，通信速率<20Kbps。

3.RS-232C接口信号的定义25线。见书216表9.2。数据线4条（2，3，14，16）控制线11条（4，5，6，8，12，13，19，20，22，23）定时信号线3条（15，17，24）地线2条（1，7）备用5条（9，10，11，18，25）未定义7.3串行接口标准（续9）TXDRXDTXDRXDA机B机77223345620456202.远距离连接（>15m）1）需用MODEM和专用电话线2）需用2～9条信号线（在接口与MODEM之间）4.信号线的连接1）近距离连接（<15m）只用3条线（发送线TXD，接收线RXD，信号地线）7.3串行接口标准（续10）