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第八章 串并行通信及接口技术

第八章 串并行通信及接口技术. 一 、 串行通信的基本概念 二、可编程串行接口 8251A 三、并行接口的基本概念 四、可编程并行接口 8255A. 0. 1. 0. 1. 0. 1. 1. 0. 并行通信 将数据的各位 同时 在 多根并行传输线上 进行传输。. D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7. D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7. 目 的. 源. 数据的各位同时由源到达目的地 → 快 多根数据线 → 距离短、远程费用高. 并行通信 适于 短距离 、 高速 通信. 串行通信

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第八章 串并行通信及接口技术

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  1. 第八章 串并行通信及接口技术 一、串行通信的基本概念 二、可编程串行接口8251A 三、并行接口的基本概念 四、可编程并行接口8255A qiu

  2. 0 1 0 1 0 1 1 0 • 并行通信 • 将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 目 的 源 • 数据的各位同时由源到达目的地 →快 • 多根数据线 →距离短、远程费用高 并行通信适于短距离、高速通信 qiu

  3. 串行通信 • 将数据的各位按时间顺序依次在一根传输线上传输。 目 的 0 1 1 0 1 0 1 0 源 TD RD • 数据的各位依次由源到达目的地 → 慢 • 数据线少 → 远程, 费用低 串行通信适于长距离、中低速通信 qiu

  4. 一、串行通信的基本概念 串行通信： ●每个时间单位仅传送一位信息； ●每个字符(字节)的各位依次传送。 优点： ●传输线少，成本低，传输距离远 缺点： 传送速度比并行慢，并行需时间T，则串行为NT（位）。 qiu

  5. 1. 串行数据传送方向 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(Single Duplex） 半双工(Half Duplex) 全双工(Full Duplex) qiu

  6. 1）单工(Single Duplex） 发送 接收 单工方式示意图 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 qiu

  7. 2）半双工（Half Duplex） 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。 A站 B站 发送器 发送器 接收器 接收器 半双工方式示意图 qiu

  8. 特点：①通信双方各有一个收/发切换电子开关，双方均可进特点：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：单向传送设备，发送器→接收器 qiu

  9. 3.全双工(Full Duplex） 发送 接收 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 qiu

  10. 2.信号的调制和解调 数字信号 模拟信号 数字信号 1 0 1 0 10 10 10 10 计算机 MODEM MODEM CRT 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。 qiu

  11. 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。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。 qiu

  12. 三种调制方式 • 根据载波 Asin(t + )的三个参数：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术： • 幅移键控法 Amplitude-Shift Keying (ASK) • 频移键控法 Frequency-Shift Keying (FSK) • 相移键控法 Phase-Shift Keying (PSK) • ASK (又称为调幅) • 用载波信号的不同幅度代表‘1’和‘0’ • FSK (又称为调频) • 用载波信号的不同频率代表‘1’和‘0’ • PSK (又称为调相) • 用载波信号的相位变化代表‘1’和‘0’(有变化为’1’) qiu

  13. 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 数字信息 数字信号 调幅 调频 调相 三种调制方式的调制波形图 qiu

  14. 频移键控调制原理图 频率1 S1 － ＋ 输出 频率2 S2 PATA 0 1 0 1 0 1 （FSK) qiu

  15. 3. 同步通信和异步通信 1）异步通信 ⒈字符格式：即字符的编码形式和规定，如ASCLL 码规定，每个串行字符由以下4个部分 组成。 · 一个起始位 · 5～8个数据位 · 1个奇偶校验位 · 1～2个终止位 qiu

  16. 串行异步通信字符格式如下： 0 1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/10/11 10 0/1 … 7 位有效信息位 MARK 奇/偶校验 起始位 停止位 qiu

  17. 异步通信特点： 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。 qiu

  18. ⒉波特率（Baud rate）：是衡量数据传输通道频宽的指标， • 每秒传送的离散信号的数目。 • 数据传输速率也称比特率（bit Rate） • 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 当进行二进制数码传输，且每位时间长度相等时，比特率 还等于波特率（Baud Rate） qiu

  19. “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。 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。 qiu

  20. 2) 同步通信 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。 qiu

  21. ~ ~ 数据 同步字符 数据 数据 校验字符 ~ ~ 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。 qiu

  22. 4. 发送时钟和接收时钟 • 所有串行通信都需要一个时钟信号来作为数据的定时参考。发送器和接收器用时钟来决定何时发送和读取每一位数据。 • 根据采用统一时钟还是本地局部时钟，分为同步传输和异步传输两种。 • 同步传输用一个时钟确定一个数据位 • 异步传输用多个时钟确定一个数据位 qiu

  23. 同步传输的时钟定时方法 发送方在时钟信号的下降沿发送字节 接收方在时钟信号的上升沿接收字节 时钟 数据（61H） 位 0 1 1 0 0 0 0 1 先发送高位(MSB) qiu

  24. 异步传输的时钟定时方法 发送方利用内部时钟来决定什么时候发送每个位 接收方检测开始信号的下降沿，然后利用它的内部时钟从每一位的中间接收该位 数据 （61H） 1 位 0 起始位 0 0 0 0 1 1 停止位 LSB MSB 异步传输先发送低位(LSB) qiu

  25. 6.波特率因子： 如果发送或接收时钟按一定的分频系数之后再用来作为移位寄存器的移位脉冲，则此时串行线上的数据传输率数值上不等于时钟频率，且两者之间存在着一定的比例系数关系。这个比例系数为波特率因子。 发送或接收时钟频率=波特率因子*波特率 qiu

  26. 7、信息的检错 串行数据在传输过程中，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。 检错：如何发现传输中的错误，称为检错。 纠错：如何消除错误，称为纠错 串行通信的校验方法 ① 奇偶校验 ② 循环余码校验CRC qiu

  27. 奇偶校验： • 以字符为单位进行校验 • 发送方使发送的每个字节中’1’的个数为奇数或偶数；接收方检查收到的每个字节中’1’的个数是否符合双方的事先约定。 • 奇偶校验可以检查出一个字节中发生的单个错误。 • 奇偶校验不能自动纠错，发现错误后需“重传”。 qiu

  28. 循环冗余校验CRC (循环冗余码/多项式编码) • 以数据块(帧, Frame)为单位进行校验 • 编码思想：将数据块构成的位串看成是系数为0或1的多 • 项式如110001，可表示成多项式 x5 + x4 + 1 • 数据块构成的多项式除以另一个多项式G(x)，得到的余 • 数多项式R(x)就称为CRC码(或称为校验和)，而G(x)则 • 称为生成多项式。 • CRC校验的检错方式：收发双方约定一个生成多项式 • G(x)(其最高阶和最低阶系数必须为1)，发送方在帧的末 • 尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除； • 接收方收到后，用G(x)去除它，若有余数，则传输有错。 qiu

  29. 5. 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。 为实现这一过程的规范化及准确无误，有了许多接 口的“标准”。 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。 qiu

  30. 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 qiu

  31. 1）EIA-RS-232接口标准 • 美国电子工业协会EIA制定的通用标准串行接口 • 1962年公布，1969年修订 • 1987年1月正式改名为EIA-232D • 适合的数传率：0～20Kbps • 设计目的是用于连接调制解调器 • 现已成为数据终端设备DTE（例如计算机）与数据通信设备DCE（例如调制解调器）的标准接口 • 可实现远距离通信，也可近距离连接两台微机 • 属于网络层次结构中的最低层：物理层 qiu

  32. 2）电气特性 RS-232对电气特性，逻辑电平和各种信号线的功能都作了规定。 逻辑“1”= - 5V~ -15V “0”=+5V~ +15V 与TTL逻辑电平不一样，可用TTL/EIA电平转换器进行，如MC1488，MC1489IC。 +15V +15V TTL EIA电平 TTL MC1488 MC1489 RS-232 qiu

  33. 采用EIA电平比TTL电平具有更强的抗干扰性能。 • 232C接口采用EIA电平 • 高电平为＋3V～＋15V • 低电平为－3V～－15V • 实际常用±12V或±15V 相互转换 • 标准TTL电平 • 高电平：＋2.4V～＋5V • 低电平：0V～0.4V qiu

  34. 3）机械特性 （1）连接器（Connector） 常用二种： ①DB-25型，25脚，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。 ②DB-9型 9针，9针全用，如下图所示。 qiu

  35. 13 25 （-）接收电流 11 发送电流（-） 22 1 DCD 6 发送电流（+） 9 DSR 2 8 RXD 7 20 DCD 3 RTS 7 TXD 8 GND 4 CTS 6 18 DTR 9 DSR （+）接收电流 5 RI 5 GND CTS 4 RTS 3 RXD 2 14 TXD 1 DB-25型连接器 DB-9型连接器 qiu

  36. （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：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 qiu

  37. TxD：发送数据 串行数据的发送端 RxD：接收数据 串行数据的接收端 RTS：请求发送 当数据终端设备准备好送出数据时，就发出有效的RTS信号，用于通知数据通信设备准备接收数据 CTS：清除发送（允许发送） 当数据通信设备已准备好接收数据终端设备的传送数据时，发出CTS有效信号来响应RTS信号 RTS和CTS是数据终端设备与数据通信设备间一对用于数据发送的联络信号 qiu

  38. DTR：数据终端准备好 通常当数据终端设备一加电，该信号就有效，表明数据终端设备准备就绪 DSR：数据装置准备好 通常表示数据通信设备（即数据装置）已接通电源连到通信线路上，并处在数据传输方式 DTR和DSR也可用做数据终端设备与数据通信设备间的联络信号，例如应答数据接收 qiu

  39. GND：信号地 • 为所有的信号提供一个公共的参考电平 CD：载波检测（DCD） • 当本地调制解调器接收到来自对方的载波信号时，该引脚向数据终端设备提供有效信号 RI：振铃指示 当调制解调器接收到对方的拨号信号期间，该引脚信号作为电话铃响的指示、保持有效 qiu

  40. 保护地（机壳地） 起屏蔽保护作用的接地端，一般应参照设备的使用规定，连接到设备的外壳或大地 TxC：发送器时钟 控制数据终端发送串行数据的时钟信号 RxC：接收器时钟 控制数据终端接收串行数据的时钟信号 qiu

  41. 4) RS-232C的连接 • 微机利用232C接口连接调制解调器，用于实现通过电话线路的远距离通信 • 微机利用232C接口直接连接进行短距离通信。这种连接不使用调制解调器，所以被称为零调制解调器（Null Modem）连接 qiu

  42. ①近距离连接（<15m） 只用3条线（发送线TXD，接收线RXD，信号地线） A机 B机 2 2 TXD TXD 3 3 RXD RXD 7 7 为了交换信息，TxD和RxD应当交叉连接 程序中不必使RTS和DTR有效 也不应检测CTS和DSR是否有效 qiu

  43. 微机 微机 TxD RxD RTS CTS GND DSR DTR “伪”使用联络信号的3线相连方式 RTS和CTS各自互接，DTR和DSR各自互接 表明请求传送总是允许、数据装置总准备好 qiu

  44. 微机 微机 TxD RxD RTS CTS GND DSR DTR 使用联络信号的多线相连方式 通信比较可靠 所用连线较多，不如前者经济 qiu

  45. ②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） TXD TXD 计 算 机 接 口 调 制 解 调 器 调 制 解 调 器 终 端 2 2 RXD RXD RTS RTS ┇ CTS ┇ CTS DSR 专用电话线 DSR DTR DTR DCD DCD 采用MODEM时RS-232信号线的使用 qiu

  46. 二、8251A的引脚、编程结构 8251A是通用同步异步接收/发送器USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter 1. 8251A的基本性能 1）可工作在同步方式或异步方式；同步方式下，波特率为 0~64K，异步方式下，波特率为0~19.2K。 2）同步方式下，每个字符可为5~8位，内部能自动检测同步字符 3）异步方式下，每个字符可为5~8位，用1位作为奇/偶校验。 能自动为每个数据增加1个启动位，并能编程为每个数据增 加1、1.5和2个停止位。 4）完全双工，有双缓冲器和接收器。 5）误差检测——具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。 qiu

  47. 2、8251的编程结构 模式寄存器 控制寄存器 同步字符寄存器 接收时钟 数据总线 同步字符寄存器 RXRDY 串行输入 接收移位寄存器 TXRDY 控制总线 数据输入寄存器 数据输出寄存器 串行输出 发送移位寄存器 地址 译码器 CS 发送时钟 状态寄存器 qiu

  48. 1）数据输入缓冲寄存器和数据输出缓冲寄存器：1）数据输入缓冲寄存器和数据输出缓冲寄存器： 使用同一个端口地址，由CPU利用输入/输出指令读写 2）接收移位寄存器： 将RXD端的串行数据接收后进行移位，变为8位并行数据， 存入数据输入缓冲寄存器 3）发送移位寄存器： 将写入数据输出缓冲寄存器的数据移位，将并行数据逐位 从TXD端，变为串行传输。 4）控制寄存器：用来控制8251A的工作过程。 qiu

  49. 5）状态寄存器：存放8251A的工作过程中的状态信息。5）状态寄存器：存放8251A的工作过程中的状态信息。 6）模式寄存器；决定8251A的工作模式（同步或异步） 7）2个同步字符寄存器：存放同步方式中所用的同步字符。 3. 8251A的功能结构 8251A可以由5部分组成： 接收器、发送器、调制/解调控制电路、读/写控制电路、 数据总线缓冲器 qiu

  50. 数据总线 缓冲器 发送缓冲器 发送控制 TXD TXRDY TXE RESET 读/写 控制逻辑 CLK TXC C/D RD WR CS 接收缓冲器 接收控制 RXD DTR 调制/解调 控制 RXRDY DSR SYNDET RTS RXC CTS 8251A的内部工作原理图 qiu

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