计算机接口第9章串行接口

第九章串行通信接口

@BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心1

9.1串行传送的基本概念

@BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心2

串行传送的特点

­所用的传输线少，适于远距离传送

•数据信息和控制信息可在同一条线上传送

•使用的信号电平与TTL不兼容

•双方需约定传输的波特率

•抗干扰能力强，串行通信信号间的互相干扰完全可

以忽略。

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心3

数据传送方式

•单工方式

AB

发方收方

通BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心4

数据传送方式（续）

•半双工方式

-只有一条传输通路

A

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心5

数据传送方式（续）

•全双工方式

ABSBSSSSBSBtB

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心6

信号的调制与解调（1）

•电话网带宽300〜3400Hz,不适于传送二进制数字

信号。因此，要对数字信号进行调制解调。

••调制.

数字信号=模拟信号（音频模拟信号）

解调

•调制方式

-幅移键控ASK

-频移键控FSK

-相移键控PSK

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心7

信号的调制与解调（2）

数字信号模拟信号数字信号

-----><----------------------><-----

DTEDCEDCEDTE

DTE：数据终端设备

DCE：数据通信（载波）设备

通BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心8

信息的检错与纠错

•检错方法

—奇偶才爻验

--方阵校验

-CRC循环冗余校验

•纠错方法

，.-纠错码

—卷积码

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心9

波特率与发送/接收时钟

•波特率：单位时间内传送的二进制信号数

•16倍波特率收/发时钟的采样过程如下图所示

<<O«血日$0/10/1

/X,•内

比0

vr6

Tn

豆

%%性

自

&成

,怎BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心10

异步通信

•以字符为单位进行传送

•收发双方时钟不要求严格同步，允许有一定偏差

•无数据传送时，传送高电平

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心11

同步通信

•以数据块（或字符）块为单位进行传送

•收发双方时钟要求严格同步

•需要界定符

•无数据传送时，传送同步字符

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心12

9.2串行通信的数据格式

@BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心13

异步通信数据格式

•异步数据巾^由1个起始位，5〜8个数据位，0〜1个奇

偶检验位，1、1.5、2个停止位组成。

LSBMSB

〜♦・八

而小］0/10/1•••0/10/1■1110D»0/1

瘠%£■1,15,2缎

5-8电[$

<------------►%N£C$

八

4

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心14

同步通信数据格式（1）

1.面向字符的同步通信数据格式

SYNSYNSOH标题STX数据块ETB/ETX块检验

•规定10个特殊字符作为控制字符

•在数据块中的传送的数据如果与控制字符相同，采

用字符填充方式。DLE为转义字符。

•例：数据中若有ETX,则转义为DLEETX;数据中

若有DLE,则转义为DLEDLE。

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心15

同步通信数据格式（2）

2.面向比特的同步通信数据格式

01111110地址控制信息（可选）CRC01111110

8bits0,8or16bits8or16bits8nbits16or32bits8bits

•典型协议有SDLCHDLC,LAPD,LAPB等

•比特填充技术（“0”插入/删除技术）

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心16

9.3串行通信接口标准

@BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心17

串行接口标准

•RS-232C接口标准

•RS-422接口标准

•RS-485接口标准

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心18

RS-232C信号线定义

•共有25根信号线，9根主要信号线定义如下：

-TxD发送数据线

-RxD接收数据线

-RTS请求发送。DTE请求DCE发送数据。

-CTS清除发送。是DCE对RTS信号的响应。

-DSR数据设备准备好。表示Modem可用

-SG信号地

-DCD(RLSD)载波检测信号。本地Modem已检测

到远端Modem送出的载波信号

-DTR数据终端准备好。表示DTE可用(已加电)

-RI振铃指示。已检测到线路上的振铃信号。

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心19

标准连接方式

电话线

通BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心20

零Modem连接方式

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心21

有握手线的零Modem连接方式

DTE

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心22

RS-232C流程示意图

DCEADCEBDTEB

DTEADTR

DTR__就绪）

———---DSR（DCE就绪）

DSR

号

---->载波信号HAB铃呵匕

CD（载波检测）CD

RTS（请求发送）

T（发送）

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心23

电气特性

•逻辑“1”为・3V〜“5V

•逻辑“0”为+3V〜+15V

•EIA电平与TTL电平之间需进行转换。

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心24

机械特性

<15m通信线路

DTE---------DCE~~7

13°0-3-)接收电流

0

DB25/M（针）DB25/F（孔）0

发送电流（-）—70

0

发送电流（+）—10-—RI

70

DCD——-0利-DTR

0-

在速率低于20Kb/s时,能直SG―-

0

接连接的最大物理距离为DSR——ro-W—(+)接收电流

CTS_Fo

15m(50ft)。RTS—£W0

，

RD—-°0

TD--Y0-14

_L

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心25

RS-422接口标准

•平衡传送方式

逻辑“1"AA，・BB，的电位差大于200mv

逻辑“0"AA，・BB，的电位差小于200mv

•能有效抑制共模干扰，最大传输率可达10Mbps

（传送15m时），或100kbps（传送1000m）

•电路中只有一个发送器

平衡发送器差动接收器

_____________________A，、

®BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心26

RS-485接口标准

•与RS-422标准类似，最大传输率可达10Mb/s

•允许多个发送器和多个接收器

•能实现点对多点的通信

•从站只能响应主站的轮询

命令(B/C/D)

从站B从站C从站D

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心27

9.4串行通信接口的任务

及典型接口芯片

@BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心28

串行接口的基本任务

•数据格式的自动生成

•串一并变换：

•传输速率控制

•错误检测

•电平转换

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心29

典型接口芯片

•同步USRT(UniversalSynchronous

Receiver/Transmitter)

-面向字符MC6852,Intel8251A

面向比特MC6854,Intel8273,Z-80SIO

•异步UART(UniversalAsynchronous

Receiver/Transmitter)

-INS8250,MC6850,Intel8251A,Z-80SIO

•在PC机系列中采用INS8250A.INS82c50A

nNS16450—NS16c450nNS16550(增加FIFO)

fNS16550A-PC16550D

®BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心30

9.5可编程串行接口芯片

8251

@BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心31

8251A外部特性(1)

•面向CPU的连接信号

-DO〜D7(In/Out)三态双向数据线

-RD(In)读信号线

-WR(In)写信号线

-CS(In)片选

-RESET(In)芯片复位。高电平的宽度需大于6个时

,钟信号宽度。

-C/D(In)地址线。高电平访问控制寄存器。彳氐电平

访问数据寄存器。

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心32

8251A外部特性(2)

•状态信号

-TxRDY(Out)发送器准备好。可用作中断请求信号。

TxRDY引肤F=(TXRDY=1)△(水=0)A(TXEN=1)

-RxRDY(Out)接收器准备好。可用作中断请求信号。

'-TxE(Out)发送器空。指移位寄存器空。

-SYNDET/BD(In/Out)同步信号检测，或终止符

检测。

同步方式：内同步时，作输出；外同步时，作输入。

异步方式：检测到终止符(breakcharacter,也称间

断码)时，输出高电平。’

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心33

8251A外部特性(3)

•时钟信号

-T^C(In)发送时钟。在异步方式下，的频率

为xl,xl6,x64倍波特率。在同步方式下，加的频

率与数据速率相同。在下降沿移出数据。

-舐(In)接收时钟。与发送时钟类似。

-CLK(In)工作时钟。为芯片内部电路提供定时。

同步方式下，需大于发送时钟或接收时钟频率的30

倍。异步方式下，需大于发送时钟或接收时钟频率

的4.5倍

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心34

8251A外部特性(4)

•面向调制器的接口信号

-DTR(Out)数据终端准备好

-DSR(In)数据装置准备好

-RTS(Out)请求发送

-CTS(In)清除发送

-TxD(Out)数据发送线

-RxD(In)数据接收线

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心35

8251A内部结构框图

发送

数据总线aTXD

DO〜7缓冲器

缓冲器

t

-------►TXRDY

■RD.发送

------aTXE

WR-控制

C/D-；读/写------TXC

CLK-;控制逻辑

CS--

RESET-接收

RXD

DSR-缓冲器

DTR.jModem

CTS-

RfS.I控制

接收-------►RXRDY

r------►SYNDET/BD

>------RXC

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心36

8251A的内部逻辑

•数据总线缓冲器

包括数据缓冲器和命令缓冲器

•接收器"

,完成串并变换，去掉起始位和停止位，并进行校验

•发送器

加入起始位、奇偶校验位和停止位，完成并串变换

•读/写控制电路

•调制解调控制电路

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心37

接收器结构图

CPU

接收缓冲寄存器

RXD

接收移位寄存器

RXC

接收控制检测接收错误

删除起始位、

接收器校验位和停止位

双缓冲器方式

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心38

发送器结构图

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心39

命令字和状态字

•方式命令字

设定通信方式和数据格式

•工作命令字

指定8251A完成某种操作（如发送、接收、内部复

位和检测同步字符等）或设定调制解调器的控制信

号。

•状态字

报告8251A的状态

若BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心40

方式命令字（异步方式）

D7DO

停止位奇偶校验字符长度波特率因子

00:禁止xO:无校验00:5bit01:xl

01:1bit01:奇校验01:6bit10:xl6

10:1.5bit11:偶校验10:7bitll:x32

11:2bit11:8bit

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心41

方式命令字（同步方式）

D7DO

SCSESDEPPENLIL0

步

同同步奇偶校验字符长度

符

字

模式

数

个00:5bit

xO:无校验

01:6bit

01:奇校验

10:7bit

11:偶校验

11:8bit

So：内同步

L1：外同步

ro：双同步符

li：单同步符

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心42

工作字

D7DO

EHERSBRKRXEDTRTXEN

发送允许

lo：发送禁止

fO：DTR=l

0:RTS=1Ll:DTR=O

1:RTS=O—ri：接收允许

l0:接收禁止

i：内部复位

J1:发送间断符

o：正常操作10:正常操作

J1:搜索模式S1：复位错误标志

I0:正常操作-0:正常操作

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心43

间断符（终止符）

LSBMSB

G~卡o/

U%

6不

间断符（大于连续10个“0”）

间断符通知发

方中止发送

发方收方

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心44

状态字

D7DO

DSRSYN/BDFEOEPETXERXRDYTXRDY

」上发送缓冲

L器空

1:帧错1:奇偶错

1:重叠错r与外部管脚

一信号一致

_rO:DSR=1

11:DSR=0

TXRDY弓|脚=(TXRDY=1)A(CTS=0)A(TXEN=1)

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心45

错误标志

•奇偶错误PE(ParityError)

-接收到的字符中“1”的个数不符合奇偶校验要求

•帧错误FE(FrameError)

-接收到的字符格式不符合规定(如缺少停止位)

•重叠错误OE(OverrunError)

-若接收移位寄存器接收到一个数据并送至接收缓冲

器时，前一个数据还未被CPU取走，则出现数据重

叠

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心46

8351A初始化流程（1）

内部复位

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心47

8351A初始化流程（2）

•方式命令字和工作命令字按一定顺序写入

•复位-＞方式字-＞命令字1-命令字2-＞......

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心48

8251A时序图

•见8251用户手册(82c51a-2rs.pdf)

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心49

应用举例

•采用查询方式实现两微机间通过串口异步传送数据,

8位字符、2位停止位、无校验、波特率为4800b/s、

波特率因子为64。控制□为309H,数据口为308H。

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心50

发序

movdx,309hmovsi,300h;首地址

xoral9alll:movdx,309h

outdx,al;预初始化；inal,dx;读状态口

moval,40h；andal,Olh；TxRDY=l?

outdx,al；软复位|jz

nop;延时-decdx;数据口

moval,Ocfh;方式命令字；moval,[si]

outdx,alIoutdx,al

moval,37hiincsi

outdx,al；工作命令字；decex

movex,2dh；发字节数；jnz11

®BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心51

接序

movdx,309hnovdi,400h;首地址

xoral,alll:movdx,309h

outdx,al;预初始化inal,dx;读状态口

mov叫40htestal,38h;检错.

outdx,al;软复位jnzerr

nopand叫02h；RxRDY=l?

moval,Ocfh;方式命令字jz11

outdx,aldecdx

moval,14hinal,dx

outdx,al;工作命令字mov[di],al

movex,2dh;收字节数incdi

loop11

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心52

9.6PC机异步通信适配器

简介

@BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心53

基本特点

•只有异步方式

•发送器和接收器均有16bytes的FIFO,可减少中断

CPU的次数。

•可编程的波特率发生器。对输入时钟进行1〜2®1的

分频。

•MODEM控制功能

•内部诊断功能

1-通信链路的环回功能

-奇偶错、重叠错、格式错的仿真

•分优先级的中断管理

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心54

16550引脚图(1)

16550微

裕

SIN

SOUT

BAUDOUT

RCLK

XINRTS

XOUTCTS

DTR

TXRDYDSR

RXRDYDCD

DDIS_RI

INTROUTT

OUT2

通BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心55

16550引脚图(2)

•数据线DO〜D7:在CPU与16550之间交换信息

•地址线AO〜A2:寻址内部寄存器

•片选线：3个片选信号CSO、CS1>CS2O当3个片选

输入都有效时，才选中芯片。

•地址选通信号ADS:当该信号低有效时，锁存上述

地址线和片选线的状态，保证读写期间的地址稳定。

•读控制线RD,RD

•写控制线Wk,WR

读写控制信号有两对，每对信号作用完全

一样，只是有效电平不同

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心56

16550引脚图(3)

•驱动器禁止信号DDIS:CPU从16550读取数据时，

DDIS引脚输出低电平，用来禁止外部收发器对系统

总线的驱动；其他时间，DDIS为高电平

•主复位线MR:硬件复位信号RESET

•中断请求线INTRPT:16550有4级共10个中断源，

当任一个未被屏蔽的中断源有请求时，INTRPT输

出高电平向CPU发出中断请求

•时钟输入引脚XIN:基准工作时钟

•时钟输出引脚XOUT:基准时钟信号的输出端

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心57

16550引脚图(4)

•波特率输出引脚BAUDOUT:基准时钟经8250内部

波特率发生器分频后产生发送时钟

•接收时钟引脚RCLK:接收外部提供的接收时钟信

号；若采用发送时钟作为接收时钟，则只要将

RCLK引-F和BAUDOUT引脚直接相连

•DTR(Out)数据终端准备好

•DSR(In)数据装置准备好

•RTS(Out)请求发送

•CTS(In)清除发送

•SIN(Out)数据发送线

拶潮蛾)姆龈辘术学院体系结构中心

16550引脚图(5)

•OUT1和OUT2:

-两个一般用途的输出信号

-由调制解调器控制寄存器的D2和D3使其输出低电平

有效信号

’-复位使其恢复为高

•RI(In):振铃指示

•DCD(In):数据载波信号检测

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心59

16550内部结构框图

有n个寄存器，占用

7个I/O端口地址

©BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心60

内部寄存器寻址

DLABA2A1A0寄存器COM1/COM2

0000写发送保持寄存器（THR）3F8/2F8

读接收数据寄存器（RDR）

0001中断允许寄存器（IER）3F9/2F9

1000除数锁存器低字节（BRDL）3F8/2F8

1001除数锁存器高字节（BRDH）3F9/2F9

X010中断识别寄存器（IIR）只读3FA/2FA

FIFO控制寄存器（FCR）只写

X100线路控制寄存器（LCR）3FB/2FB

X101MODEM控制寄存器（MCR）3FC/2FC

X110线路状态寄存器（LSR）3FD/2FD

X111MODEM状态寄存器（MSR）3FE/2FE

覆BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心61

发送保持寄存器THR

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心62

接收寄存器RBR

SIN

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心63

波特率除数BRD

BRD=时钟频率/(16*Baud)时钟频率为1.8432MHz

除数（16进制）除数（16进制）

波特率

高字节低字节波特率高字节低字节

50090018000940

7506002000063A

110041724000430

134.5035936000320

150030048000318

300018072000110

60000C09600000C

12000060192000006

⑨BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心64

中断识别寄存器HR

D7DO

00000中断识别码中断指示

Lro：有中断

L1：无中断

’00:Modem状态变化低

01:发送寄存器空

10:接收数据就绪

I11:接收数据错高

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心65

中断允许寄存器IER

D7DO

0000Modem状态变化接收数据错发送寄存器空接收数据就绪

0:屏蔽中断

1:允许中断

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心66

FIFO控制寄存器FCR

D2DIDO

-J0：清除FIFO

保留11:允许FIFO

|_11：重新设置

r1接收FIFO

1：重新设置

发送FIFO

"00:1字节触发DMA方式选择

01:4字节触发

10:8字节触发

111:14字节触发

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心67

线路控制寄存器LCR

D7D6D5D4D3D2DIDO

v-Y

中止符奇偶校验停止位字符长度

000:无校验

0:正常0:正常00:5bit

01:奇校验0:1bit

1:访问1:发中01:6bit

011:偶校验1:1.5bit

除数寄止符10:7bit

101:附加位为1或2bit

存器11:8bit

11:附加位为0

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心68

线路状态寄存器LSR

D7DO

0TSRETHREBIFEPEOEDR

接收数据

准备好

中止符一-Y接收重登错

指示-V接收评偶错

J1接收格式错

发送保持器空

当CPU读LSR后，

发送移位寄存器空各状态位自动清零

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心69

Modem控制寄存器MCR

D7DO

000LOOPOUT2OUT1RTSDTR

信号输_

1:表示pini=0

0:正常

1:环路检测

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心70

Modem状态寄存器MSR

D7DO

DCDRIDSRCTS△RLSD△RI△DSRACTS

信号输入的非1:信号输入有变化

CPU每次读MSR后，低4位被清零，当高4位有

变化,则低4位中的相应位就置T

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心71

举例1

两台微机通过各自的异步通信口C0M1按下图进行

通信，通信波特率为2400.

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心72

初始化程序

movdx,3fbh;LCR地址

moval,80h

outdx,al；DLAB=1,对除数锁存器编程

movdx,3f9h;高位除数寄存器

moval,0

outdx,al

movdx,3f8h;低位除数寄存器

moval,30h

outdx,al;波特率为2400

movdx,3fbh;设置通信的字符数数据格式

moval,lah

outdx,al;数据长7位，、1个停止位，偶检验

movdx,3fch;Modem控制寄存器

moval,03h；设置RTS、DTR<^L,OUT2=1,DTR=0,RTS=0

outdx,al;若设置控制字为本13H,则进入环回方式

movdx,3f9h;中断允许寄存器

moval,0;屏蔽全部中断，用查询方式

outdx,al

⑥BUPT计算机科学与技术学院体系结构中心73

工作程序

again:movdx,3fdh

inal,dx

testal,leh;检查出错否？

jnzerror;转出错处理

testal,Olh;检查收到新字节否?

jnzrev