第七章通信接口技术

第七章通信接口技术§7.1概述§7.2并行接口技术§7.3可编程并行接口芯片Intel8255A7.1概述计算机与外部的信息交换称为通信(Communication)，基本的通信方式有两种，一种是并行通信，另一种是串行通信。并行通信时，数据各位同时传送。例如CPU通过8255A与外设交换数据时，就采用并行通信方式。这种方式传送数据的速度快，但使用的通信线多，如果要并行传送8位数据，需要用8根数据线，另外还要加上一些控制信号线，随着传输距离的增加，通信线成本的增加将成为突出的问题，而且传输的可靠性随着距离的增加而下降，因此并行通信适用于近距离传送数据的场合。在远距离通信时，一般都采用串行通信方式，它具有需要的通信线少和传送距离远等优点。串行通信时，要传送的数据或信息必须按一定的格式编码，然后在单根线上，按一位接一位的先后顺序进行传送，发送完一个字符后，再发送第二个；接收数据时，每次从单根线上一位接一位的接收信息，再把它们拼凑成一个字符，送给CPU作进一步处理。当微机与远程终端或远距离的中央处理机交换数据时，都采用串行通信方式。采用串行通信的另一个出发点是，有些外设，如调制解调器(MODEM)、鼠标器等。本身需要用串行方式通信。7.1.1串行通信和串行接口一、串行通信基本概念串行通信：数据被逐位顺序传送，分为串行同步通信和串行异步通信。串行通信是将数据一位一位地传送，它的速度比并行传送要慢，它适用于主机与外设间距离较远的场合。串行通信可以在两台微机间进行，也可以在微机与外设，或是外设与外设间进行，前题是它们采用相同的串行通信标准，以及波特率、数据格式等设置相同。不提采用什么标准，单纯提采用相同的波特率，是不能正确地在两台微机间进行串行数据传送的。1．串行通信2．串行通信接口完成串行通信任务的接口称为串行通信接口。计算机在处理数据时总是以并行方式进行数据处理，而外部设备如果是串行通信方式，那么就需要将串行信息转变为并行信息，而计算机想要将信息传送给外设也必须将并行数据转换成串行数据。这样就需要一个转换信息的接口即串行接口。与并行接口相比较，串行接口应用更为广泛。因此，串行接口和串行通信的标准化问题比并行接口更为突出和重要。一台微机要接入一个串行通信系统，通常采用图7-1所示的结构。以标有“接口线”的虚线为界分为左右两侧。右侧为通信系统，数据线路设备DCE是通信线路末端设备，用于与用户设备相连。左侧称为数据终端设备DTE属于用户，它包括微机主机和串行接口板，它们之间通过系统总线相连接。串行通信接口的标准化就是指DTE与DCE之间的标准化。3．数据传送方式串行通信时，数据在两个站(或设备)A与B之间传送，按数据流方向的不同可分为单工、半双工、全双工和多工等几种传送方式。如图7-2所示。发送器A接收器B（a）单工方式单工(Simplex)方式只允许数据按一个固定的方向传送。采用这种方式时，就已经确定了通信双方中的一方为接收端，另一方为发送端。这种确定方式是不可以改变的。发送器A发送器B（b）半双工方式发送器接收器接收器半双工(HalfDuplex)通信是指信息的发送和接收要同时公用一条线，在半双工方式中，数据可在两个设备之间任一个方向传输，但两个设备之间只有一根传输线，故同一时间内只能在一个方向上传输数据，不能同时收发，故在通信换向时接口部分要靠电路转换，如图7-2(b)。无线电对讲机就是半双工传输的一个例子，一个人在讲话的时候，另一个人只能听着，因为一端在发送信息时，接收端的电路是断开的。发送器A接收器B（c）双工方式接收器发送器全双工(FullDuplex)通信是指接口对接收和发送的信息用不同的通道供信息的发送和接收可同时进行，这就意味着工作于全双工方式下的串行通信信息的传递要用两条线即发送线、接收线，如图7-2(c)。采用全双工的系统可以同时发送和接收数据，电话系统就是一个全双工传输数据的例子。计算机的主机和显示端(它由带键盘的CRT显示器构成)进行通信时，通常也采用全双工方式，一方面，键盘上敲入的字符可以送到主机内存，另一方面主机内存的信息可以送到显示器终端。在键盘上敲入一个字符后，并不立即显示出来，而是等计算机收到该字符后，再会送给终端，由终端将该字符显现出来。这样，对主机而言，前一个字符的回送过程和后一个字符的输入过程是同时进行的，并通过不同的线路进行传送，即系统工作于全双工方式。12n复用器复用器12n…………（d）多工方式多工方式下采用的多路复用技术主要有时分复用TDM和频分复用FDM两种。前者将共用的物理线路分成若干时间片，轮流为各信号占用，其特点是电路简单，抗干扰性强；后者利用频率调制原理将要发送的信号搬移到不同频段后同时或不同时地发送，其特点是效率高，但电路复杂，抗干扰能力弱。在计算机串行通讯中主要使用半双工和全双工方式。4．异步通信和同步通信方式串行通信可分为两种：一种为同步通信(Asynchronous)；一种为异步通信(Synchronous)。同步通信是将所要发送信息组成一个信息组（通常称为帧），在每帧信息的开始要有同步字符（1～2）个，在数据线上要保持连续的字符，没有信息时也要填上专用空字符，因为同步传输不允许在传输一帧信息时出现间隙。同步通信特点：传送信息量大，数度高，适宜于快速传递，灵活性差。异步通信时，在字符开始要有起始位，一个字传输的结束要用间隔位进行字间隔。通常一组数据由多个字符组成，而字符是若干数码位的集合。本方式一次传送一个字符，若要传送一批字符，则需要反复调用该方式。各字符出现于数据场中的相对时间是随意的，没有专门的时钟控制。异步通信的特点：灵活性好，便于处理实时性强的串行数据；速度低，仅适宜于中低速率传输。异步通信：发/收双方可以没有共同的时钟。字符作为一个独立的信息单元，字符出现在数据流中的时间是任意的；而每个字符中的各位以固定的时间传送。因此在同一字符内是同步的，而字符与字符之间不同步（异步）同步通信：用同一时钟作为收发双方的同步信号，每个字符及位都是同步的串行通信协议协议：通信收/发双方必须共同遵守的基本通信规程协议内容：一般包括收发双方的同步方式、传输控制步骤、差错检验方式、数据编码、数据传输速率、通信报文格式及控制字符定义两类通信协议异步通信协议同步通信协议（自学）二、异步通信及其协议为使通信双方确认数据有效，在字符中设置起、止标志位起始标志位：每个字符前添加的一个“0”停止标志位：每个字符后添加的若干个“1”字符之间的空隙用“1”填满，此时的“1”称为空闲位，“0”为空号、“1”为传号传送一个字符的信息格式：规定有起始位、数据位、奇偶校验位、停止位等，其中各位的意义如下：1．起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。2．数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。3．奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。4．停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。5．空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。注：异步通信是按字符传输的，接收设备在收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步就能正确接收。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准。三、串行通信的标准为了供通信双方相互衔接，人们就建立了在通信过程中收发双方共同遵守的标准，标准包括：传输率、电特性、信号名称及接口标准。传输率：传输率是指每秒钟传输代码的位数，也称波特率。在串行通信中，常用波特率来表示数据传送的速率。在计算机中，每秒钟内所传送数据的位数称为波特率，单位为波特，实际上它是传送每一位信息所用的时间的倒数。如果一个串行字符由1个起始位，7个数据位，1个奇偶校验位和一个停止位等10个数位构成，每秒钟传送120个字符，则数据传送的波特率为：10位/字符×120字符/秒=1200波特（Bit/s）传送每位信息所占用的时间为：1秒/1200=0.833毫秒常用的波特率为110，300，600，1200，2400，4800，9600和19200波特（Bit/s），它也是国际上规定的标准波特率。同步传送的波特率高于异步传送方式，可达到64000Bit/s。产生波特率的器件叫波特率发生器，经过对外部定时时钟进行线性交换，可对波特率进行调节，以适应不同系统或工作状态对波特率的要求，对于编程来说，对所编程器件8250可通过编程修改其波特率因子进行调整。四．串行通信中传送速率的表示并行通信中通常以每秒传送的字节数来表示传送速率，而串行通信中通常以每秒传送的比特数（比特率）来表示传送速率。１．波特率和比特率的关系我们一般所说的比特率，是指系统单位时间内传送有效二进制数据的位数，以bps（位/秒）为单位；而波特率是用来衡量通信线路基本电信号发送率的，也就是说，波特率指发送到通信线路上的电脉冲速率，它是对硬件性能的一种描述，而不仅仅是对信息的度量。波特率和比特率有如下关系：基波传送方式下，通信线路状态每改变一次即送出一位数据，这时波特率＝比特率；载波传送方式下，通信线路状态每改变一次可能送出n位数据，这时比特率＝n×波特率。２．波特率和接收/发送时钟的关系另一个表示传送速率的参数是收/发时钟频率。收/发时钟用于对传送的数据进行定位和同步控制。一般来说，波特率和收/发时钟频率有如下关系：同步传送方式下，收发双方使用同一时钟进行同步，所以收/发时钟频率＝波特率。异步传送方式下，接收方和发送方使用不同的时钟源，因此需要在字符起始位进行时钟同步，这时收/发时钟频率＝n×波特率（n称为波特率因子，可以取16、32、64等值，可视系统需要而定）。7.2并行接口技术CPU芯片本身总是以并行方式接收和发送数据，因此并行接口是微机系统中最常用的接口之一。实现并行输入/输出的接口就是并行接口。并行接口的特点是：可以在多根数据线上同时传送以字节或字为单位的数据。并行接口（与其相对应的串行接口相比）具有传输速度快、效率高等优点；但由于所用电缆多，在长距离传输时，电缆的损耗、成本及相互之间的干扰会成为突出的问题。所以并行接口一般适用于数据传输率较高、而传输距离较短的场合。并行接口概述并行接口连接CPU与并行外设，实现两者间的并行通信，在信息传送过程中，起到输出锁存或输入缓冲的作用。并行接口的典型硬件结构包括：1、一个或一个以上具有锁存或缓冲的数据端口2、与CPU进行数据交换所必须的控制和状态信号3、与外设进行数据交换所必须的控制和状态信号4、端口译码电路5、控制电路一、简单的并行接口技术简单的并行接口可由一些锁存器和（或）三态门组成。需要注意的是，单纯的三态门只能用作总线缓冲器/驱动器，它没有锁存功能，不能保持数据；单纯的锁存器不能起到隔离总线的作用，一般只用作输出接口而不用作输入接口；而带三态门输出的锁存器既可用作输入接口，又可用作输出接口，以实现总线的隔离。常用来构成简单并行接口的芯片包括：8位三态输出缓冲驱动器74LS244/240（反相）、8位三态双向缓冲驱动器74LS245、8位三态双向锁存器74LS373/573等。二、接口芯片的功能及分类1.接口芯片的功能（1）寻址功能芯片有片内寄存器，由端口地址访问对芯片写控制字,设置芯片功能CPU与芯片寄存器间交换信息芯片有片选控制线CSCPU地址线经译码产生片选控制线CSCS和片内寄存器端口地址确定片内寄存器地址值的唯一性（2）联络功能：如果需要，接口芯片应能完成CPU与外设之间的通信挂钩任务。（3）输入/输出功能：接口芯片应能确定是CPU输出数据和控制信息，还是外设输入数据和状态信息。（4）数据转换功能：接口芯片应能完成CPU和外设间不同数据格式的转换，如并/串转换、串／并转换、A/D转换、D/A转换等等。（5）错误检测功能：在某些情况下，需要接口芯片能检测数据传送时引入的错误，包括传输错误、覆盖错误等。（6）复位功能：接口芯片应能接收复位信