第九章串行输入输出系统

Page1第九章串行输入/输出系统9.1串行接口系统概述9.2可编程串行口控制器82509.1Page29.1串行接口系统概述数据在单条传输线上，一比特接一比特地按顺序传送的方式称为串行通信。特点＆适用场合Page3适合于远距离传送，可以从几米到数千公里。对于长距离、低速率的通信，串行通信往往是唯一的选择。串行通信特点优点：节省通信线路。缺点：数据传输效率低。适用场合内容简介Page49.1串行接口系统概述9.1.1串行I/O接口9.1.2串行通信基础9.1.3串行通讯协议9.1.4RS-232C串行通信标准9.1.1Page59.1.1串行I/O接口串行通信方式异步方式同步方式串行异步接口串行同步接口通用异步收发器通用同步收发器串口的基本功能Page6一、串行接口的基本功能串行接口与输入输出设备之间以串行方式传送数据；与CPU之间以并行方式传送数据。CPU串行接口外部设备串行并行基本功能Page7基本功能：实现串行和并行数据格式之间的转换。实现数据缓冲功能。控制功能。接收CPU的命令，输出接口的状态等。串口的基本结构Page8二、串行接口的基本结构状态寄存器控制寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器输入移位寄存器输出移位寄存器串行输出串行输入接收时钟发送时钟联络信号数据总线收发器控制信号逻辑中断请求读写地址译码cs各种寄存器作用Page9（1）输出缓冲寄存器：接收CPU从数据总线上送来的并行数据，并加以保存。（2）输出移位寄存器：它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换为串行数据输出。继续Page10（4）输入缓冲寄存器：它从输入移位寄存器中接收并行数据，然后由CPU取走。（3）输入移位寄存器：它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。控制寄存器Page11（5）控制寄存器：它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如：采用异步方式还是同步方式；数据字符的位数；有无奇偶校验，是奇校验还是偶校验；停止位的位数等参数。状态寄存器Page12（6）状态寄存器：状态寄存器中存放着接口的各种状态信息，如：输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合某种状态时，接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”，以便让CPU查询。串口工作过程Page13三、串行接口的工作过程CPU串行接口外部设备接收发送串行接口将CPU送来的并行数据转换成串行数据，并对有效数据“包装”，即：加上起始位、产生奇偶校验位和停止位，再发送出去。发送数据接收数据串行接口将串行输入的数据转换成并行数据，并要对有效数据进行“解包”（去掉起始位、校验位和停止位）和奇偶校验，然后等待CPU取走。发送过程Page14发送过程状态寄存器控制寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器输入移位寄存器输出移位寄存器串行输出串行输入接收时钟发送时钟联络信号数据总线收发器控制信号逻辑中断请求读写地址译码csCPU外部设备接收过程12223Page15接收过程状态寄存器控制寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器输入移位寄存器输出移位寄存器串行输出串行输入接收时钟发送时钟联络信号数据总线收发器控制信号逻辑中断请求读写地址译码csCPU外部设备9.1.2串行通信基础12223Page169.1.2串行通信基础一.数据传输率二.串行通信的连接方式三.信号的调制和解调四.串行通信的检错和纠错一.数据传输速率Page171.比特率＆波特率一、数据传输率数据传输率：是指单位时间内传输的信息量，可用比特率和波特率来表示。⑴比特率：每秒传输的二进制位数，单位为bit/s（bps）表示。⑵波特率：每秒传输的符号数，若每个符号所含的信息量为1比特，则波特率等于比特率。单位为Baud。它是衡量串行通信速率的重要指标。2.发送/接收时钟Page182.发送/接收时钟（Txc/Rxc）发送数据时，发送器在发送时钟作用下将输出移位寄存器的数据按位串行移位输出；接受数据时，接受器在接收时钟作用下对来自通信线上的串行数据按位串行移入输入移位寄存器。状态寄存器控制寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器输入移位寄存器输出移位寄存器串行输出串行输入接收时钟发送时钟联络信号数据总线收发器控制信号逻辑中断请求读写地址译码cs继续Page19收/发时钟直接决定了通信线路上数据传输的速率，对于收/发双方之间数据传输的同步有十分重要的作用。为了提高串行通信的抗干扰能力，往往用多个时钟调制一个二进制数据。3.波特因子Page203.波特因子（Factor）波特因子：是发送/接收1位所需要的时钟脉冲个数；单位是个/位。波特因子波特率的频频接收/发送时钟收/发时钟频率与波特率之间的关系：一般波因子取1,16,32和64等。对于异步通信，常采用16；对于同步通信，则必须取1。二.串行通信的连接方式Page21二、串行通信的连接方式1.单工连接2.半双工连接3.全双工连接ABABAB用一条线，只能一个方向传送。用一条线，两个设备A、B之间可交替地进行双向数据传送，但不能同时发送或同时接收。用两条线，两个设备A、B之间可同时进行双向数据传送。三.信号的调制＆解调Page22三、信号的调制和解调计算机通过串行口发送出去或接收到的信息一般只能是调幅制的数字信息。这种数字信息，只适合于近距离的通信。远程有线通信大都数是通过电话线传输的，而电话线只能传输调频制的音频信息。如果数字信号直接在公用电话网的传输线上传送，高次谐波的衰减会很厉害，从而使信号到了接收端后将发生严重畸变和失真。一般的modem都具有调制和解调双重功能。四.检错＆纠错Page23四、串行通信的检错和纠错在串行通信中，由于线路长和噪声干扰的存在，会导致信息传输过程中出现错误。为保证信息传输的正确性，必须对传输的数据信息进行差错检查和校正，即检错和纠错。检错：如何发现错误；纠错：发现错误后如何消除错误。方法：在基本通信协议中，一般采用奇偶检验或方阵码检错，以反馈重发方式纠错。在高级通信协议中，一般采用循环衷冗余码（CRC）检错，以自动纠错方式来纠错。1.奇偶校验Page241.奇偶校验基本原理：在所传输的有效数据中附加冗余位（即：校验位），使整个信息位（包括有效位和校验位）中“1”的个数具有奇数（奇校验）或偶数（偶校验）的特性。整个信息位经过线路传输后，若原来所具有的“1”的个数的奇偶性发生了变化，则说明出现了传输错误，可由专门的检测电路检测出来。例子Page25有效信息位是1011101，采用偶校验，则附加的校验位是1；最后得到的信息是10111011。有效信息位是1011011，采用奇校验，则附加的校验位是0；最后得到的信息是10110110。例1例22.方阵码校验Page262.方阵码校验基本原理：先在每个7位编码的字符后附加1位奇偶校验位，使整个字符的“1”的个数为偶数或奇数。然后使若干个字符组成一个数据块，列成方阵，再在纵向按位加，产生一个字符的检验字符，并将它附在数据的末尾。这一检验字符是所有数据字符“异或”的结果，反映了整个数据的奇偶性。在数据接收过程中，数据块读出产生一个检验字符，并与发送来的检验字符进行比较，若两者不同，说明出现差错，则以反馈重发来纠错。若两者相同，表示接收数据正确。例子Page27字符代码奇偶位（偶校验位）001011100100000110101100111100001100001111110000←检验字符方阵检验字符生成原理9.1.3串行通信协议Page289.1.3串行通讯协议一、概述发、收动作一旦失步，就不能正确传输信息，结果会产生差错。“同步”：就是互相通信的双方协调发送和接收之间的动作。为了实现同步，互相通信的双方必须就数据传输方式、同步控制方式、差错处理、应答方式和信号格式等问题作出共同遵守的一组规定，这种规定称为通信协议。串行传输中同步的方法两种：异步方式同步方式异步通信协议同步通信协议异步通信协议Page29二、串行异步通信协议异步方式通信是以字符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求，而每个字符中的各位则以固定的时间传送。收、发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间通信没有严格的定时要求。然而，一旦传送开始，收/发双方则以预先约定的传输速率，在时钟的作用下，传送这个字符中的每一位。数据格式Page30起始位——每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平数据位——数据位紧跟着起始位传送。由5～8个二进制位组成，低位先传送校验位——用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不传送校验位停止位——表示该字符传送结束。停止位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位空闲位——传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行传送起始位校验位停止位空闲位数据位低位高位字符0/10/10/10/110111…1、数据格式例子Page31比如ASCII字符‘A’,二进制是01000001(8位)，它们在起始位和2位停止位之间传送，并使用了1位偶校验位。先出后出010000010011OutD7D02.数据接收Page322、数据接收开始前，约定起止格式和传输速率开始后检测起始位接收数据位、校验位和停止位去掉停止位奇偶校验注意Page33接收端采样时钟频率为位频率的16倍，采样时间基准应确保采样时刻在每一位的中间。注意3.特点Page343、特点（3）⑴传输数据对收发双方的时钟同步要求不高，发送器和接收器可以不用共同的时钟。⑵数据格式（包括数据位的位数、校验位的设置以及停止位的位数）都可以根据实际需要，通过可编程串行接口电路，用软件命令的方式进行设置。在不同传输系统中，这些通信格式的设定完全可以不同；但在同一系统，必须一致。⑶附加信息位（额外开销），使通信效率降低。三.串行同步通信协议Page35三、串行同步通信协议数据流中的字符与字符之间和字符内部的位与位之间都同步。串行同步通信是以数据块（字符块）为信息单位传送，而每帧信息包括成百上千个字符；因此传送一旦开始，要求每帧信息内部的每一位都要同步。1.特点Page361、特点（4）⑴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，收、发两端需用同一个时钟源作为时钟信号。⑵没有起始位和停止位，不是用起始位表示字符的开始。(3)通信时，字符数据不允许有空隙。当线路空闲或没有字符可发送时，可发送收、发双方约定的同步字符。(4)传输效率高，适合于快速、大量数据的传送。2.同步通信协议分类Page372、同步通信协议分类⑴面向字符的同步通信协议，这类协议目前有两种：①BM—国际标准化组织ISO提出的基本型同步通信协议；②BSC—IBM公司提出的二进制同步通信协议。⑵面向比特的同步通信协议（4种）：①HDLC—国际标准化组织ISO提出的高级链路控制协议；②SDLC—IBM公司提出的同步数据链路控制协议；③ADCCP—美国国家标准化协会ANSI提出的先进数据通信协议；④X.25第二级—国际电报电话咨询委员会CCITT提出的协议；BSC的帧格式Page38面向字符的同步通信协议BSC的帧格式SYNSYNSOH标题STX数据块ETB或ETX块校验SYN是同步字符，每帧开始有若干个SYN。SOH（StartofHeader）表明标题的开始，称为序始符。标题中可以包括源地址、目的地址和路由指标等信息。STX（StartofText）称为文始符，标志着传送数据正文的开始。数据块是传送正文的内容。ETB（EndofTransmissionBlock）称为组终符ETX（EndofText）称为文终符（正文很长，分为很多数据块时，用于最后一个数据块中。块校验是对前面从SOH开始，直到ETX（或ETB）进行检验产生的校验码。9.1.4RS－232Page399.1.4RS-232C串行通信标准机械特性：连接器的尺寸、引脚分