微型计算机基本原理与应用（第二版）第11章 串行通信及其接口电路

第11章

串行通信及其接口电路本章主要内容(1)串行通信的基本概念(2)可编程串行接口片8251A11.1串行通信11.1.1串行通信的特点说明串行通信与并行通信主要区别的示意图如图11.1所示。

图11.1串行通信与并行通信的区别由图11.1可见，在并行通信方式中，一个字节(8位)数据是在8条并行传输线上同时由源点传到终点。在串行通信方式中，数据是在单条1位宽的传输线上一位接一位地顺序传送。一个字节的数据要通过同一条传输线分8次由低位到高位按顺序传送。串行通信的一个突出优点就是节省传输线，尤其是在远距离的数据传输时，这个优点就更为明显。与并行传送相比，串行传送的数据传输率较低，这是串行传送方式的主要缺点。

11.1.2串行通信涉及的常用术语和基本概念1.单工、半双工和全双工(1)单工（Simplex)特点：仅能进行一个方向的数据传送

设备A发送器设备B接收器Dataflow(2)半双工（HalfDuplex）特点：数据可以在两个方向上进行传送，但是这种传送绝不能同时进行。【双向，但不同时】设备A发送器/接收器设备B接收器/发送器Dataflow(3)全双工（FullDuplex）特点：能够在两个方向同时进行数据传送。设备A发送器/接收器设备B接收器/发送器2.数据传输率

每秒传输的二进制位数，单位为bps（bitpersecond）也称比特率。波特率---每秒传输的“符号”（也称信号码元—SignalElement）的个数。【例如，每秒传送1个符号，则波特率为1波特】在计算机中，一个“符号”的含义为高、低两种电平，分别代表逻辑值“1”和“0”，所以每个符号的信息量为1比特，此时波特率与比特率刚好一致。在其他一些场合(例如通信中采用的“相一幅”复合调制技术),一个“符号”的信息含量就不是一个比特，此时，波特率就不等于比特率。3.发送时钟和接收时钟在串行通信中，发送器需要用一定频率的时钟信号来决定发送的每一位数据所占用的时间。接收器也需要用一定频率的时钟信号来检测每一位输入数据。发送器使用的时钟信号称为发送时钟，接收器使用的时钟信号称为接收时钟。串行通信所传送的二进制数据序列在发送时是以发送时钟作为数据位的划分界限，在接收时是以接收时钟作为数据位的检测和采样定时。串行数据的发送由发送时钟控制。数据的发送过程是：首先把系统中要发送的并行数据系列送入发送器中的移位寄存器，然后在发送时钟的控制之下，把移位寄存器中的数据串行逐位移出到串行输出线上。每个数据位的时间间隔由发送时钟周期来划分。

串行数据的接收是由接收时钟对串行数据输入线进行采样定时。数据的接收过程是：在接收时钟的每一个时钟周期采样一个数据位，并将其移入接收器中的移位寄存器，最后组合成并行数据系列，存入系统存储器中。4.波特率因子

F（时钟频率）＝波特率因子×波特率波特率因子:数据传输率（波特率）与时钟频率之间的比例系数.给定时钟频率，选择不同的波特率因子可得到不同的波特率。

例如：F=19.2kHz，若选波特率因子为16，则波特率为1200bps。若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对时钟频率的要求。

5.异步方式与同步方式1）异步方式异步方式又称起止同步方式。这是在计算机通信中常用的一种数据信息传输方式。串行异步传送的数据格式如图11.3所示。

图11.3串行异步传输数据格式在异步方式中，收、发双方取得同步的办法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。在一个有效字符正式传送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。接收器不断地检测或监视串行输入线上的电平变化，当检测到有起始位出现时，便知道接着是有效字符位的到来，并开始接收有效字符，当检测到停止位时，就知道传输的字符结束了。经过一段随机的时间间隔之后，又进行下一个字符的传送过程。异步通信方式总是在传送每个字符的头部即起始位处进行一次重新定位，即使收、发双方的时钟频率存在一定偏差，但只要不使接收器在一个字符的起始位之后的采样出现“错位”现象，则数据传送仍可正常进行。异步通信的发送器和接收器可以没有共同的时钟，通信的双方可以各自使用自己的本地时钟。下面对图11.3串行异步传输的数据格式作简要说明：

（1）起始位：起始位必须是持续一个比特时间的逻辑“0”电平，标着传送一个字符的开始。（2）数据位：数据位为5~8位。它紧跟在起始位之后，是被传送字符的有效数据位。传送时，先传送字符的低位，后传送高位。（3）奇偶校验位：奇偶校验位仅占1位。可以为奇校验或偶校验，也可以不设置校验位。（4）停止位：停止位为1位、1.5位或2位。它一定是逻辑“1”电平，标志着传送一个字符的结束。在一个字符传送前，线路处于空闲状态，输出线上为逻辑“1”电平；传送一开始，输出线由“1”变为“0”电平，并持续1比特的时间，表明起始位的出现；起始位后面为5~8个数据位，数据位是按“低位先行”的规则传送，即先传送字符的最低位，接着依次传送其余各位；数据位后面是校验位，可以是奇校验或偶校验，也可不设置校验位；最后发送的一定是“1”电平，以作为停止位，它可以是1位、1.5位或2位。在串行异步通信中，为发送一个字符需要一些附加的信息位，即一个起始位，一个奇偶校验位以及1位、1.5位或2位停止位。这些附加信息位不是有效信息本身，它们起到使字符成帧的“包装”作用，称为通信开销。假定每一个字符由7位组成，传送时带有1位校验位，那么为了在异步接口上传送一个字符，必须发送10位、11.5位或11位。假定只使用一位停止位，那么所发送的10位中只有7位是有效数据位。整个通信能力的30%成了额外开销。可见，采用串行异步通信方式时，其通信效率较低。2）同步方式

同步方式要求对传送数据的每一位都必须在收、发两端严格保持同步，即所谓“位同步”。因此，在同步方式中，收、发两端需用同一个时钟源作为时钟信号。同步方式是用被称之为同步字符的二进制序列来表示数据发送的开始。即发送器总是在发送有效数据字符之前，先发送同步字符去通知接收器有效数据的第一位何时到达。有效数据信息以连续串行的形式发送，每个时钟周期发送一位数据。接收器搜索到同步字符后，才开始接收有效数据位。同步传送时，字符代码间不留空隙，它严格按照固定的速率发送和接收每次传送的所有数据位。串行同步通信的信息格式如图11.4所示。

图11.4串行同步通信信息格式同步方式的通信效率：同步方式不是通过在每个字符的前后添加“起始位”和“停止位”来实现同步，而是采用在连续发送有效数据字符之前发送同步字符来实现收、发双方之间的同步。同步方式的通信开销是以数据块为基础的，即不管发送的数据块是大还是小，额外传送的比特数都是相同的。每次传送的数据块越大，其非有效数据信息所占比例越小，通信效率越高。6.差错校验校验是数据通信中的重要环节之一，常用的校验方法有下述两种。1）奇偶校验奇偶校验是最简单最常用的校验方法。它的基本原理是在所传输的有效数据位中附加冗余位(即校验位)。利用冗余位的存在，使整个信息位(包括有效信息和校验位)中“1”的个数具有奇数或偶数的特性。整个信息位经过在线路上传输以后，若原来所具有的“1”的个数奇偶性发生了变化，则说明出现了传输差错，可由专门的检测电路检测出来。这种利用信息位中“1”的个数奇偶性来达到校验目的的编码，称为奇偶校验码。使整个信息位“1”的个数为奇数的编码叫奇校验码，而使整个信息位“1”的个数为偶数的编码叫偶校验码。附加的信息位称为奇偶校验位，简称校验位。需要传送的数据位本身称为有效信息位。通常可将一个校验过程分为编码和解码两个过程。下面以偶校验为例说明其编码和解码过程。（1）编码：发送器将某一数据发送前，统计有效信息位中“1”的个数。若为奇数，则在附加的校验位处写“1”；若为偶数，则在校验位处写“0”，以使整个信息位“1”的个数为偶数。这一过程也称配校验位。【例11.1】有效信息1011101

偶校验码10111011(最后一位为校验位)【例11.2】有效信息1011001

偶校验码10110010(最后一位为校验位)（2）解码：接收器在接收数据时，将接收到的整个信息位(包括校验位)经由专门的检测电路一道统计。若“1”的个数仍为偶数，就认为接收的数据是正确的；否则，表明有差错出现，应停止使用这个数据，需重新传送，或作其他的专门处理。在目前常用的可编程串行通信接口片中，如果接收器检测到奇偶错，则将接口电路中状态寄存器的相应位置“1”，以供CPU查询检测。简单的奇偶校验码(例如上述那种只配一位校验位的校验码)，其检错能力是很低的，它只能检查出一位错。如果两位同时出错，则检查不出来，即失去了检验能力。简单的奇偶校验码没有纠错校正功能，因为它不具备对错误定位的能力，例如在偶校验中，尽管可以知道接收到的代码10110000是非法的，但却无法判定错误发生在哪一位上。由于奇偶校验码简单易行，编码和解码电路简单，不需增加很多设备，所以它仍在误码率不高的许多场合得以广泛应用。2）CRC校验CRC是循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck)的英文缩写。它是计算机和数据通信中常用的校验方法中最重要的一种。它的编码效率高，校验能力强，对随机错码和突发错码均能以较低的冗余度进行严格检错。CRC校验是利用编码的原理，对所要传送的二进制码序列，按特定的编码规则产生相应的校验码(CRC校验码)，并将CRC校验码放在有效信息代码之后，形成一个新的二进制序列，并将其发送出去；接收时，再依据特定的规则检查传输过程是否产生差错，如发现有错，可要求发送方重新传送，或作其他专门处理。11.2串行通信接口标准11.2.1RS-232CRS-232C是适合于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间相互连接与通信的一个串行通信接口标准，简称RS-232C标准。1969年由美国电子工业协会EIA公布，所以也称EIARS-232C标准。图11.5表示了RS-232C在一个典型的通信系统中的使用环境。其中CRT终端经电话线路与远程计算机通信。在该系统中DTE设备就是CRT终端和远程计算机，它们是所传数据的源点和终点；DCE设备就是调制解调器，由它们实现在公共电话网上进行数据通信所必须的信号转换及有关功能。连接两个DCE的是公共电话线路。

图11.5RS-232C接口环境RS-232C接口的最高数据传输率为19.2Kbps，传输电缆长度不超过15米。11.2.2RS-485

RS-485适用于收、发双方共用一对线路进行通信，它也适用于多个站点之间共用一对线路进行总线方式联网，但通信只能是半双工的，具体线路如图11.6所示。由于共用一对线路，在任何时刻，只允许一个发送器发送数据，其他发送器必须处于关闭（高阻）状态，这是通过发送器芯片上的发送控制端实现的。例如，当该端为高电平时，发送器可以发送数据；当该端为低电平时，发送器的两个输出端都呈高阻状态，好像与线路断开一样。图11.6RS-485标准采用RS-485标准，在不用调制解调器的情况下，传输率为100Kbps时，传输距离可达1200米；9600bps时可传送15000米；10Mbps时则只能传送15米。11.3可编程串行通信接口8251A11.3.1USART随着大规模集成电路技术的发展，多种通用的可编程同步和异步接口片USART(UniversalSynchronousAsynchronousReceiver/Transmitter)被推出，典型的芯片有MotorolaACIA,Intel8251,ZilogSIO等。它们有各自的特点，就其基本功能结构来说是类似的，均具有串行接收/发送异步和同步格式数据的能力。1.结构

发送部分：能接收与暂存由CPU并行输出的数据。在异步方式时，通过移位寄存器变为串行数据格式并添加上起始位、奇偶校验位及停止位，由一条数据线发送出去；在同步方式时，能自动插入同步字符。接收部分：异步方式时，能把接收到的数据去掉起始位、停止位，检查有无奇偶错，然后经过移位寄存器变为并行格式后，送至接收缓冲寄存器，以便CPU用输入指令取走；同步方式时，能够自动识别同步字符。这类接口片还必须有控制与状态部分，通过它们一方面可以实现片内控制以及向外设发出控制信号的功能，另一方面还能提供接口的工作状态以供CPU检测。2.初始化对于串行接口片，初始化程序通常要涉及如下几方面的问题.。①同步还是异步方式；②字符格式；③时钟脉冲频率与波特率的比例系数；④有关命令位的确定。11.3.28251A的基本性能和工作原理1.8251的基本功能和特性(1)可用于同步和异步传送。(2)同步传送：5～8位/字符；内部或外部字符同步；可自动插入同步字符。(3)异步传送：5～8位/字符；时钟速率为通信速率的1、16、64倍。可产生中止字符；可产生1、1.5、或2位的停止位；可检测假起始位；可自动检测和处理中止字符。(4)波特率：异步：DC-19.2K；同步：DC-64K。(5)全双工、双缓冲器发送和接收。(6)差错检测：具有奇偶错、溢出错和帧格式错等差错检测电路。(7)全部输入输出与TTL电平兼容；单一+5V电源；单一TTL电平时钟；

28脚双列直插式封装。2.8251A的引脚图8251A有28条引脚，引脚分配如图11.7所示。8251AD1TxDCLKRESETDSRRTSDTRRxCVccD0TxEMPTYCTSWRTxCD7D6D5D4

GNDRxDD3CSRDC/DSYNDET/BRKDETTxRDYRxRDY11098765432111312281920212223242526271815161714D2图11.78251A的引脚信号3.8251A的内部结构框图及工作原理8251A的结构方块图如图11.8所示。由图中可看出8251A可分为5个部分。

(1)接收器

(2)发送器

(3)数据总线缓冲器

(4)调制解调器控制电路

(5)读写控制逻辑电路

数据总线缓冲器读/写控制逻辑电路调制/解调控制电路接收控制电路串－并转换发送缓冲器缓冲器并－串转换发送控制电路RESETCLKC/DRDWRCSDSRDTRCTSRTSD7-D0内部总线TXDRXDTXEMPTYTXCRXRDYRXCSYNDETTXRDY发送器接收器图11.88251A内部结构框图接收11.3.38251A对外接口信号

8251A是CPU与外设之间的接口电路，其对外的接口信号可分为两组：一组是与CPU的接口信号;另一组是与外设之间的接口信号(参见图11.10)。

80868251A外设D7-D0CLK译码CSABM/IOC/DRDRDWRWRTXRDYTXEMPTYRXRDYSYNDETRESETDTRDSRRTSCTSTXDRXD计数器/定时器RXCTXC图11.108251A的对外接口信号1.8251A与CPU之间的接口信号

(1)

复位信号RESET(2)数据线D7～D0(3)读写控制信号

(4)收发联络信号

8251A的读/写控制真值表CSC/DRDWR操作0001CPU从8251A读数据0010CPU往8251A写数据0101CPU从8251A读状态0110CPU往8251A写控制命令0×11D7～D0为高阻态1×××D7～D0为高阻态2.8251A与外设之间的接口信号

有4个Modem控制信号DTR、DSR、RTS和CTS。另外还有4个信号，如下所述：

(1)接收器时钟RXC(2)发送器时钟TXC(3)接收数据线RXD(4)发送数据线TXD11.3.48251A的编程

8251A的编程包括两部分，一部分是设定方式选择控制字，另一部分是发出操作命令。前者用来定义8251A的工作方式，它必须紧接在复位后由CPU写入；后者用来指定芯片的实际操作，只有在写入了方式选择控制字后，才能由CPU写入。1.方式选择控制字

8251方式选择控制字的格式如图11.11所示。图11.11方式选择控制字的格式2.操作命令控制字8251的操作命令控制字的格式如图11.12所示，它直接让8251A实现某种操作或进入规定的工作状态。图11.12操作命令控制字的格式3.状态字CPU可以在8251A工作过程中利用输入指令（IN指令）读取当前8251A的状态字，从而可以检测接口和数据传输的工作状态。

8251A状态字的格式如图11.13所示。图11.13状态字格式(1)三个错误标志位PE、OE和FE，PE=1是奇偶校验错；OE=1是溢出错，也称为“超越错”；FE=1是“帧格式错”，它们只对异步方式有效。出现这三种错误时都不中止8251A的工作，它们可以用操作命令字中的ER位来复位。(2）

RXRDY、TXE（TXEMPTY）和SYNDET/BRKDET位与同名引脚的状态含义相同，此处不再重述。(3)DSR位是数据通信设备准备好状态位，DSR=1表示调制解调器或其他外设已处于准备好状态，此时DSR输入信号有效。(4)

TXRDY是发送器准备好位，它与输出引脚TXRDY的含义有所不同。TXRDY状态位为“1”只反映当前发送缓冲器已空，而TXRDY输出引脚为“1”时，除发送缓冲器已空外，还需要以CTS=0和TXEN=1为条件，即存在如下逻辑关系：输出引脚TXRDY为“1”=发送缓冲器空·（CTS=0）·（TXEN=1）通常TXRDY状态位提供CPU查询，而TXRDY引脚的输出信号作为中断请求信号发给CPU。4.初始化及数据传送流程图8251A的初始化及数据传送流程图如图11.14所示。图11.148251A初始化和数据传送流程8251A的初始化编程必须在复位操作之后，先设置方式指令字；如果设定在异步方式，则马上要输出命令指令字进行设置，然后才能进行数据传送；在数据传送过程中，也可使用命令指令字进行某些操作设置或读取8251A的状态；在数据传送结束时，若使用IR位为“1”的内部复位命令使8251A复位，则它又可重新接收方式指令字，从而改变工作方式完成其他传送任务。如果设定8251A工作在同步方式，那么在输出方式指令字后，应紧跟着输出一个同步字符或两个同步字符，然后再输出命令指令字，后面的操作与异步方式相同。5.编程举例1)异步方式下的初始化编程举例设定8251A工作于异步方式，波特率因子为64，每字符7个数据位，偶校验，2位停止位，则方式选择控制字为11111011=FBH。

操作命令字的设定，例如使8251A的发送器允许，接收器允许，使状态寄存器中的3个错误标志位复位，使数据终端准备好信号DTR输出低电平，则命令指令字应为00010111=17H。若8251A的端口地址为50H、51H，则本例初始化程序如下：

MOVAL,0FBH；输出方式选择控制字

OUT51H,ALMOVAL,17H；输出操作命令令字

OUT51H,ALCPU执行上述程序之后，即完成了对8251A异步方式的初始化编程。2)同步方式下的初始化编程举例8251A工作于同步方式，双同步字符，同步字符设定为16H，内同步，偶校验，每字符7个数据位，则方式选择字为00111000B=38H。命令指令字设定为10010111B=97H，使发送器允许，接收器允许，使错误标志复位，开始搜索同步字符，并通知调制解调器，数据终端设备已准备就绪。8251A的端口地址为50H、51H，则本例初始化程序如下：

MOVAL,38H

；输出方式选择字

OUT51H,ALMOVAL,16H

；输出两个同步字符16HOUT51H,ALOUT51H,ALMOVAL,97H

；输出操作命令字

OUT51H,ALCPU执行上述程序之后，即完成了对8251A同步方式的初始化编程。11.3.58251A应用举例【例11.3】利用8251A实现双机通信。

利用8251A实现相距较近(不超过15米)的两台微机相互通信，其硬件连接图如图11.15所示。近距离通信，不需使用MODEM，两台微机直接通过8251A相连即可（双方的发送数据线TXD与接收数据线RXD交叉扭接，并将两边的信号地连接起来）。不需要使用与MODEM的联络控制信号线DTR*、DSR*及RTS*、CTS*，连接时仅使8251A的CTS*接地即可。

11.15利用8251A进行双机通信硬件连接图(1)发送端初始化程序及控制程序如下所示(设在此之前已对8251A进行了复位操作)：START:MOVDX,8251A控制端口号

MOVAL,7AH；输出方式指令字，异步方式，7位数据位，1位停止位

OUTDX,AL；偶校验，波特率因子为16MOVAL,11H；输出命令指令字，发送器允许，错误标志复位

OUTDX,ALMOVSI,发送数据块首地址

MOVCX,发送数据块字节数NEXT:MOVDX,8251A控制端口号

INAL,DX；输入状态字

TESTAL,01H；查询状态位TXRDY是否为“1”JZNEXT；发送未准备好，则继续查询

MOVDX,8251A数据端口号

MOVAL,［SI］；发送准备好，则从发送区取一字节数据发送

OUTDX,AL