串行接口同步通信协议

串行接口同步通信协议[摘要]：接口在微型计算机系统的设计和应用中占有极为重要的地位。在微型计算机系统中，CPU要与存储器和输入/输出设备之间交换信息，这些信息的交换要借助接口来实现。接口是沟通微处理机和外部设备之间的桥梁，它减轻了CPU的负担，使CPU能够充分的发挥任务管理和逻辑判断作用，使CPU和外部设备能更加协调的完成输入/输出工作，从而提高整机的工作效率和系统功能。串行接口是使用串行方式进行数据传输的输入/输出接口，根据在串行通信中数据的定时的不同，串行通信可分为同步通信和异步通信。同步通信中为保证通信的正确，发送装置和接收装置事先必须有一个双方共同遵守的协议，这就是串行接口同步通信协议。[关键词]：输入/输出接口，串行接口，同步通信，协议，SDLC/HDLC规程一、串行接口在计算机领域内，有两种数据传送方式：串行传送和并行传送。并行数据传送中，数据在多条并行1比特宽的传输线上同时由源传送到目的，这种传送方式也称为比特并行或字节串行。串行数据传送中，数据在单条1比特宽的传输线上，1比特1比特串行接口同步通信协议第1页的按顺序分时传送。串行通信一般使用在计算机与计算机之间、计算机和远程终端之间、终端与终端之间的通信中，传输距离通常从几米到数千公里。与典型设备相关的串行接口，数据传输的速率每秒在0～2百万比特的范围内。串行传输的速率和距离成反比，数据传输速率和距离的关系如图所示。串行通信接口的信号电平常采用RS-232-C信号电平或20mA电流环路操作方法。串行数据的发送由发送时钟控制。数据发送过程：把并行的数据序列送入移位寄存器，然后通过移位寄存器由发送时钟触发进行移位输出，数据位的时间间隔可由发送时钟周期来划分。发送时钟、待发送的二进制数据和出现在传输线上的信号波形三者的关系如图所示。串行接口同步通信协议第2页串行数据的接收由接收时钟检测，接收数据的过程：把由传输线送来的串行数据序列由接收时钟作为输入移位寄存器的触发脉冲，逐位打入移位寄存器，接收过程就是将串行数据序列逐位移入移位寄存器而装配成为并行数据序列的过程。接收时钟、传输线上送来的数字信号波形和接收器检测到的二进制数据序列三者的对应关系如图所示。二、同步传送串行接口同步通信协议第3页高速通信要求采用同步传送。同步通信如果具有适当的电气连接，很容易达到500kbps的传输速度。同步通信发送端和接收端必须用共同的时钟源才能保持它们之间的准确同步。同步传输时，每个字符没有起始位和停止位，它不是用起始位来标志字符的开始，而是用一串特定的二进制序列，称为同步字符，去通知接收器串行数据的第一位何时到达。然后，串行数据信息以连续的形式发送，每个时钟周期发送1位数据。接收器搜索到同步字符后，才开始接收数据位。因此，同步传输时数据成批连续发送，信息字符间不留空隙，它严格按照约定的速率发送和接收。发送器在发送数据过程中，如果出现没有准备好发送数据的情况，发送装置就会发送同步字符来填充。同步传送的成批数据称为数据流或数据场。同步传送为保持发送端和接收端的同步，发送器和接收器不能采用独立的局部时钟，接收时钟是从接收数据流分离出来的。为达到接收和发送的准确同步，其中一个方法是采用编码和解码的原理，即在发送端利用编码器把要发送的数据和发送时钟组合在一起，通过传输线发送到接收端，在接收端再用解码器从数据流中分离出接收时钟。常用的编码解码器有曼彻斯特编码解码。三、同步通信规程同步通信规程可以分为两类，一类是面向字符型的规程，另串行接口同步通信协议第4页一类是面向比特型的规程。（一）面向字符型的规程面向字符型的规程于1960年就制定了。这类规程又分为基本型和扩充型两种，扩充型又分为全双工会话型和代码透明型。国际标准化组织ISO制定的基本型通信规程BASIC，以及IBM公司制定的双同步通信规程BISYNC都是面向字符型的通信规程。这种规程的特点是：规定几个字符作为传输控制的专用字符，信息长度是8的整数倍，传输速率为200～4800bps。（二）面向比特型的通信规程面向比特型的通信规程是1969年由IBM公司首先提出的。这种规程的特点是没有规定专用的传输控制字符，而是由一些比特组合作为传输控制用，其信息长度可变，而且不是字符编码的整数倍，其传输速率可达到2400bps以上。面向比特型的通信规程有：IBM公司制定的同步数据链路控制规程SDLC，ISO制定的高级数据链路控制规程HDLC，美国国家标准化协会ANSI制定的先进数据通信规程ADCCP，CCITT的建议书也是HDLC的变体之一。1、SDLC/HDLC规程SDLC/HDLC规程是当前同步通信普遍采用的规程，有很多可编程通用串行I/O接口支持这类规程，它将很有可能成为最广泛应用的网络物理层协议，特别是很多单片机都配备支持这种规程的串行I/O通道。串行接口同步通信协议第5页SDLC和HDLC两种规程的格式是一样的，只是在某些技术细节上两者有区别。SDLC/HDLC规程是以帧为单位传送信息的。一帧信息是若干场组成的。首先是起到同步字符作用的标志场，简称为F场；其后跟着地址场，简称为A场；地址场后是控制场，简称为C场；控制场后才是信息场，简称为I场；再后是16位的帧校验场，简称为FC场；最后是结束标志。由此看出，SDLC/HDLC规程的标志字符是帧的边界，接收器搜索到标志符后开始一帧信息的接收。以结束标志来作为一帧的结束，接收器一旦收到结束标志，前面的16位就用作CRC循环冗余校验码，以便确定前面传送过程中是否出现了错误。SDLC/HDLC规程的所有场都是由最低有效位开始传送的。（1）SDLC/HDLC规程的标志场SDLC/HDLC规程的标志符是一个字节长，其格式为01111110，即两个0中间夹着6个连续的1。一帧信息以标志符为起始，并以标志符作为结束。为了使数据具有透明性，即任何数据均能传输，又要使标志符具有唯一性，即在数据序列中不能再出现标志符格式的序列，在发送一方要采用“0比特插入技术”，即发送方发送信息帧时，对于除标志符以外的所有信息，只要遇到5个连续的1，就在其后自动的插入1个0。接收时为恢复信息的原来格式，在接收方面要采用“0比特删除技术”，即除标志符外，当连续接收到5串行接口同步通信协议第6页个1时，就自动删除1个0。“0比特插入/删除技术”分别由发送器和接收器用硬件方法来实现。按规程规定，插入的0不参加CRC循环冗余校验。（2）SDLC/HDLC规程的地址场和控制场SDLC规程的地址场和控制场都是1个字节长，而HDLC规程的地址场可以为任意字节，控制场可以为1个字节或2个字节。接收方通过检查每一个地址字节的第一位确定地址字节数。若第一位为0，则后面还跟有1个地址字节；若第一位为1，则此字节就是最后一个地址字节。控制场的字节数也是通过检查第一个字节的第一位确定的。若第一位为0，则控制场是2个字节长；否则就是1个字节长。当由SDLC/HDLC规程支持的网络实现通信时，都是由一个主站和一个或多个次站组成，次站之间不能直接通信。次站通常不只一个，每个次站分配有地址，主站发向次站的信息帧必须有次站的地址，即地址场。各个次站都可以收到主站发出的地址场，然后与自己的地址相比较，只有与主站发出的地址一致时，次站才能可是接收信息场。（3）SDLC/HDLC规程的信息场控制场后跟着信息场，信息场就是要传送的信息。信息场的长度可以从0位到存储器能够处理的最大位数，即信息的长度不是字符的整数倍。信息场可以是任意数目和任意模式的二进制位。串行接口同步通信协议第7页（4）SDLC/HDLC规程的帧校验场在信息场后紧跟着两个字节的CRC校验场。SDLC/HDLC规程只能用CRC进行差错校验，其生成多项式为：X16＋X12＋X5＋1，是16位的，CRC字符是两个字节。除了标志场和自动插入的0比特之外，所有信息均参加CRC计算。（5）SDLC/HDLC规程的异常结束标志SDLC/HDLC规程不允许信息中间有空白，也不能像其它同步规程那样，当信息跟不上的时候自动插入同步字符。所以要求发送器在数据发送的开头就必须将全部数据都准备在缓冲区中。若发送过程中数据没有准备好，则发送器将会作无数据发送处理，即发送一个异常结束字符，或称为失效字符。接收器收到异常结束字符后，自动将本帧作废。在SDLC规程中，异常结束字符是8个连续的1；在HDLC规程中，异常结束字符是7个连续的1。在异常结束字符中不能使用“0比特插入/删除技术”。SDLC/HDLC规程规定，当一帧结束而发送器仍处于开放时，发送器可以发送连续的标志符序列，表示器件空闲状态。当发送器被禁止时，传输线就出现连续的高电平，表示线路空闲。2、几种常用的同步串行传输格式同步通信由于采用的同步手段和同步字符的不同，存在着不同的格式结构。串行接口同步通信协议第8页对同步字符的检测和同步控制，在串行I/O接口芯片内部进行，称为内同步。内同步又分为单同步和双同步两种，单同步只有一个字节的同步字符，双同步有两个字节的同步字符。SDLC/HDLC规程就是内同步的一种。外同步是指对同步字符的检测在串行接口电路芯片外部进行的，当外部硬件电路检测到同步字符时，就给串行接口发来一个同步信号SYNC，当I/O接口接收到同步信号后，立即开始接收信息。几种同步串行传输格式如图所示。四、结束语在微型计算机串行同步通信中，通信协议是为了保证串行同步通信的正确，发送装置和接收装置事先约定的一个要求双方共同遵守的协议。在串行接口同步通信协议的约束下，发送方与接串行接口同步通信协议第9页收方有条不紊的进行信息的传送。其中SDLC协议和HDLC协议是使用最为广泛的串行接口同步通信协议。参考文献：[1]《微型计算机接口技术》李大友主编高等教育出版社[2]《SDLC/HDLC协议》章铭著[3]《微型计算机接口》韩涛著