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第10章并行和串行接口电路第10章并行和串行接口电路10.1概述10.2可编程并行接口电路Intel8255A10.3可编程串行接口电路Intel8251A习题10第10章并行和串行接口电路10.1概述10.1.1并行通信1.并行接口并行通信由并行接口来完成的，在并行数据传输中并行接口连接CPU与并行外设的通道，并行接口中各位数据都是并行传输的，它以字节（或字）为单位与I/O设备或被控对象进行数据交换。并行通信以同步方式传输，其特点是：传输速度快；硬件开销大；只适合近距离传输。一个并行接口中包括状态信息、控制信息和数据信息。第10章并行和串行接口电路⑴状态信息状态信息表示外设当前所处的工作状态。例如，准备好信号表示输入设备已经准备好信息，可以和CPU交换数据；忙信号(BUSY)表示输出设备正在输出信息，即在“忙”着，同时也等于指示CPU要处于等待状态。⑵控制信息控制信息是由CPU发出的，用于控制外设接口的工作方式以及外设的启动和停机信息等。第10章并行和串行接口电路⑶数据信息CPU与并行外设数据交换的内容。状态信息、控制信息和数据信息，通常都是通过数据总线传送，这些信息在外设接口中分别存取在不同的口中。所谓口是指可以由CPU读、写的寄存器，这些口分别是状态口、控制口和数据口，它们分别用来存放状态信息、控制信息和数据信息。对于一个外设接口，常常需要几个口才能满足和协调外部设备的工作与要求，图10.1是一个典型的并行接口与CPU、外设的连接图。第10章并行和串行接口电路图10.1并行接口与CPU、外设的连接控制寄存器状态寄存器输入缓冲寄存器输出缓冲寄存器CPU总线系统输入设备输出设备数据总线输出数据准备好输入数据准备好中断请求地址译码器复位地址总线AENCSA0A1IORIOW输入数据输入数据准备好输入应答输出数据输出数据准备好输出应答第10章并行和串行接口电路2.并行接口的组成⑴状态寄存器状态寄存器用来存放外设的信息，CPU通过访问这个寄存器来了解某个外设的状态，进而控制外设的工作，以便与外设进行数据交换。⑵控制寄存器并行接口中有一个控制寄存器，CPU对外设的操作命令都寄存在控制寄存器中。第10章并行和串行接口电路⑶数据缓冲寄存器在并行接口中还设置了输入缓冲寄存器和输出缓冲寄存器，缓冲器是用来暂存数据。因为外设与CPU交换数据，CPU的速度远远高于外设的速度。例如，打印机的打印速度与CPU的速度相差的远不止是一个数量级，在并行接口中设置缓冲器，把要传送的数据先放入缓冲器中，打印机按照安排好的打印队列进行打印，这样可以保证输入，输出数据的可靠性。第10章并行和串行接口电路3.数据输入过程数据输入过程，指的是外设向CPU输入数据。①当外设将数据通过数据输入线送给接口时，先使状态线“输入数据准备好”为高电平。然后通过接口把数据接收到输入缓冲寄存器中，同时把“输入回答”信号置成高电平“1”，并发给外设。②外设接到回答信号后，将撤消“输入数据准备好”的信号。当接口收到数据后，会在状态寄存器中设置“准备好输入”状态位，以便CPU对其进行查询。第10章并行和串行接口电路③接口向CPU发出一个中断请求信号，这样CPU可以用软件查询方式，也可以用中断的方式将接口中的数据输入到CPU中。④CPU在接收到数据后，将“准备好输入”的状态位自动清除，并使数据总线处于高阻状态。准备外设向CPU输入下一个数据。第10章并行和串行接口电路4.数据输出过程数据输出过程，指的是CPU向外设输出数据。①当外设从接口接收到一个数据后，接口的输出缓冲寄存器“空”，使状态寄存的“输出数据准备好”状态位置成高电平“1”，这表示CPU可以向外设接口输出数据，这个状态位可供CPU查询。②此时接口也可向CPU发出一个中断请求信号，同上面的输入过程相同，CPU可以用软件查询方式，也可以用中断的方式将CPU中的数据通过接口输出到外设中。当输出数据送到接口的输出缓冲寄存器后，再输出到外设。第10章并行和串行接口电路③与此同时，接口向外设发送一个启动信号，启动外设接收数据。外设接收到数据后，向接口回送一个“输出回答”信号。④接口电路收到该信号后，自动将接口状态寄存器中的“准备好输出”状态位重新置为高电平“1”，通知CPU可以向外设输出下一个数据。第10章并行和串行接口电路10.1.2串行通信串行通信是微机和外部设备交换信息的方式之一。所谓串行通信是通过一位一位地进行数据传输来实现通信。与并行通信相比，串行通信具有传输线少，成本低等优点，适合远距离传送。缺点是速度慢，若并行传送n位数据需时间T，则串行传送的时间最少为nT。在实际传输中，是通过一对导线传送信息。在传输中每一位数据都占据一个固定的时间长度。1.串行接口的组成串行接口是通过系统总线和CPU相连，串行接口部件的典型结构如图10.2所示。主要由控制寄存器、状态寄存器、数据输入寄存器和数据输出寄存器4部分组成。第10章并行和串行接口电路图10.2串行接口与CPU、外设的连接控制寄存器状态寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器CPU总线系统数据总线RxRDY地址译码器复位地址总线AENIORIOW串行数据输入TxRDY串入并出并入串出CSDC/接收时钟串行数据输出发送时钟MODEM控制第10章并行和串行接口电路⑴控制寄存器控制寄存器用来保存决定接口工作方式的控制信息。⑵状态寄存器状态寄存器中的每一个状态位都可以用来标识传输过程中某一种错误或当前传输状态。第10章并行和串行接口电路⑶数据寄存器①数据输入寄存器：在输入过程中，串行数据一位一位地从传输线进入串行接口的移位寄存器，经过串入并出(串行输入并行输出)电路的转换，当接收完一个字符之后，数据就从移位寄存器传送到数据输入寄存器，等待CPU读取。第10章并行和串行接口电路②数据输出寄存器：在输出过程中，当CPU输出一个数据时，先送到数据输出缓冲寄存器，然后，数据由输出寄存器传到移位寄存器，经过并入串出(并行输入串行输出)电路的转换一位一位地通过输出传输线送到对方。串行接口中的数据输入移位寄存器和数据输出移位寄存器是为了和数据输入缓冲寄存器和数据输出缓冲寄存器配对使用的。在学习串行通信方式时，很有必要了解一下有关串行通信中的一些基本概念，这里仅做简单介绍。第10章并行和串行接口电路2.串行通信中使用的术语⑴发送时钟和接收时钟把二进制数据序列称为比特组，由发送器发送到传输线上，再由接收器从传输线上接收。二进制数据序列在传输线上是以数字信号形式出现，即用高电平表示二进制数1，低电平表示二进制数0。而且每一位持续的时间是固定的，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。第10章并行和串行接口电路①发送时钟：串行数据的发送由发送时钟控制，数据发送过程是：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。②接收时钟：串行数据的接收是由接收时钟来检测，数据接收过程是：传输线上送来的串行数据序列由接收时钟作为移位寄存器的触发脉冲，逐位打入移位寄存器。第10章并行和串行接口电路⑵DTE和DCE①数据终端设备(dataterminalequipment，DTE)：是对属于用户所有联网设备和工作站的统称，它们是数据的源或目的或者即是源又是目的。例如：数据输入/输出设备，通信处理机或各种大、中、小型计算机等。DTE可以根据协议来控制通信的功能。第10章并行和串行接口电路②数据电路终端设备或数据通信设备(datacircuit-terminatingequipment或datacommunicationequipment，DCE)：前者为CCITT标准所用，后者为EIA标准所用。DCE是对网络设备的统称，该设备为用户设备提供入网的连接点。自动呼叫/应答设备、调制解调器Modem和其他一些中间设备均属DCE。⑶信道信道是传输信息所经过的通道,是连接2个DTE的线路,它包括传输介质和有关的中间设备。第10章并行和串行接口电路3.串行通信中的工作方式串行通信中的工作方式分为：单工通信方式、半双工通信方式和全双工通信方式⑴单工工作方式在这种方式下，传输的线路用一根线连接，通信的一端连接发送器，另一端连接接收器，即形成单向连接，只允许数据按照一个固定的方向传送，如图10.3（a）所示。即数据只能从A站点传送到B站点，而不能由B站点传送到A站点。单工通信类似无线电广播，电台发送信号，收音机接收信号。收音机永远不能发送信号。第10章并行和串行接口电路⑵半双工工作方式如果在传输的过程中依然用一根线连接，这样在某一个时刻，只能进行发送，或只能进行接收。由于是一根线连接，发送和接收不可能同时进行，这种传输方式称为半双工工作方式，如图10.3(b)所示。半双工通信工方式类似对讲机，某时刻A方发送B方接收，另一时刻B方发送A方接收，双方不能同时进行发送和接收。第10章并行和串行接口电路图10.3串行通信工作方式发送器接收器单工方式A站点B站点发送器接收器A站点发送器接收器B站点发送器接收器A站点接收器发送器B站点(a)(b)(c)第10章并行和串行接口电路⑶全双工工作方式对于相互通信的双方，都可以是接收器也都可以是发送器。分别用2根独立的传输线(一般是双绞线，或同轴电缆)来连接发送信号和接收信号，这样发送方和接收方可同时进行工作，称为全双工的工作方式，如图10.3(c)所示。全双工通信工方式类似电话机，双方可以同时进行发送和接收。第10章并行和串行接口电路4.同步通信和异步通信方式串行通信分为2种类型：一种是同步通信方式，另一种是异步通信方式。⑴同步通信方式同步通信方式的特点是：由一个统一的时钟控制发送方和接收方，若干字符组成一个信息组，字符要一个接着一个传送；没有字符时，也要发送专用的“空闲”字符或者是同步字符，因为同步传输时，要求必须连续传送字符，每个字符的位数要相同，中间不允许有间隔。同步传输的特征是：在每组信息的开始(常称为帧头)要加上l一2个同步字符，后面跟着8位的字符数据。同步通信的数据格式如图10.4所示。第10章并行和串行接口电路图10.4同步通信字符格式传送时每个字符的后面是否要奇、偶校验，由初始化时设同步方式字决定。01111110011111108位数据8位数据8位数据…8位数据01111110同步字符1同步字符2数据结束标志第10章并行和串行接口电路⑵异步通信方式异步通信的特点是：字符是一帧一帧的传送，每一帧字符的传送靠起始位来同步。在数据传输过程中，传输线上允许有空字符。所谓异步通信，是指通信中两个字符的时间间隔是不固定的，而在同一字符中的两个相邻代码间的时间间隔是固定的通信。异步通信中发送方和接收方的时钟频率也不要求完全一样，但不能超过一定的允许范围，异步传输时的数据格式如图10.5所示。第10章并行和串行接口电路图10.5异步通信字符格式0/10/10/10/10/10/10/10/10/10/10/1101…1100/10/10/1…7位数据奇偶校验停止位起始位7位数据奇偶校验停止位空闲n位起始位7位数据第n＋1个字符第n个字符第n－1个字符数据低位数据高位下降沿指示下一个字符开始…第10章并行和串行接口电路字符的前面是一位起始位(低电平)，之后跟着5～8位的数据位，低位在前、高位在后。数据位后是奇、偶校验位，最后是停止位(高电平)。是否要奇、偶校验位，以及停止位设定的位数是1，1.5位或2位都由初始化时设置异步方式字来决定。第10章并行和串行接口电路5.通信中必须遵循的规定⑴字符格式的规定通信中，传输字符的格式要按规定写，图10.5是异步通信的字符格式。在异步传输方式每个字符在传送时，前面必须加一个起始位，后面必须加停止位来结束，停止位可以为1位，1.5位，2位。奇、偶校验位可以加也可以不加。第10章并行和串行接口电路⑵比特率、波特率(baudrate)①比特率：比特率作为串行传输中数据传输速度的测量单位，用每秒传输的二进制数的位数bit/s(位/秒)来表示。②波特率：波特率是用来描述每