第11章 串行通信及其接口电路.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,11,章 串行通信及其接口电路,本章主要内容,1.串行通信的基本概念,2.可编程串行接口片8251,A,11.1 串行通信,11.1.1 串行通信的特点：,数据在单条1位宽的传输线上按时间先后一位一位地传送；,节省传输线（优点）；,数据传输率较低（缺点）；,主要适用于,长距离、低速率,的通信中。,11.1.2 串行通信涉及的常用术语和基本概念,1.单工、半双工和全双工,(1)单工（,Simplex),特点：仅能进行一个方向的数据传送,设备,A,发送器,设备,B,接收器,Data flow,(2)半双工,（,Half Duplex）,特点：数据可以在两个方向上进行传送，但是这种传送绝不能同时进行。,【,双向，但不同时,】,设备,A,发送器,/,接收器,设备,B,接收器,/,发送器,Data flow,(3)全双工（,Full Duplex）,特点：能够在两个方向同时进行数据传送。,设备,A,发送器,/,接收器,设备,B,接收器,/,发送器,2.数据传输率,每秒传输的二进制位数，单位为,bps（,bit per second）,也称,比特率,。,波特率,每秒传输的,“符号”,（也称信号码元,Signal Element）,的个数。,【,例如，每秒传送,1,个符号，则波特率为,1,波特,】,在计算机中，一个“符号”的含义为,高、低两种电平,，分别代表逻辑值“1”和“0”，所以每个符号的信息量为1比特，此时波特率与比特率刚好一致。,但在其他一些场合(例如通信中采用的,“相一幅”复合调制技术,),一个“符号”的信息含量就不是一个比特，,此时，波特率就不等于比特率。,标准 波特率系列：,50，75，110，150，300，600，1200，,4,种相位（,0，90，180，270,）,每种相位有两种振幅值,实现,3位,/信号码元,调制,90,0,180,0,0,0,270,0,0,01,1,01,0,11,1,11,0,00,1,00,1,10,0,10,现在的电话网是模拟通信系统，它是为传输话音信息而设计的。要在电话网上传送数字信号，必须经过,调制和解调,。,实现调制和解调两个过程的设备称为“调制解调器”（,Modulator DemodulatorModem）,方法：,选取音频范围某一频率的正（余）弦模拟信号作为,载波,，用以运载所要传送的数字信号。,用传送的数字信号改变载波信号的,幅值、频率或相位,，使之在信道上传送；,到达信道另一端，再将数字信号从载波中取出。,0,0,0,0,0,1,1,1,1,数字信号,(,a),调幅,(,b),调频,(,c),调相,按数字信号的值改变载波信号的幅度,按数字信号的值改变载波信号的频率,按数字信号的值改变载波信号的相位,3.发送时钟和接收时钟,数据输入寄存器,输入移位寄存器,1，16，32,数据输出寄存器,输出移位寄存器,1，16，32,CLK(,主时钟,),（串行数据输入）,输入移位脉冲,（串行数据输出）,输出移位脉冲,接收时钟,发送时钟,4.波特率因子,F（,时钟频率）,波特率因子,波特率,波特率因子:,数据传输率,（波特率）,与,时钟频率,之间的比例系数.,给定时钟频率，选择不同的,波特率因子,可得到不同的波特率。,例如：,f=19.2 kHz，,若选波特率因子为,16,，则波特率,为1200,bps。,若选定波特率因子和波特率，则相应的确定了对,时钟频率,的要求。,8251,外部的,时钟电路,1,，16,，,1MHz,N,分频,19.2KHz,移位脉冲,CLK,OUT,8253,12001619200（时钟频率）,若外部时钟电路的频率,F1MHz，,需用8253分频，试计算分频系数（8253的计数初值）？,8253计数初值时钟频率,(,波特率波特率因子,),5.异步方式与同步方式,(1)异步方式（,Asynchronous）：,也称“起止同步式”。,串行异步传输数据格式：,1/0,0,0,111,5-8,位数据位,1/0,停止位或空闲位,1,1,起始位,奇偶校验,第,n,个字符,空闲位,第,n+1,个字符,低位,高位,（2,）同步方式（,Synchronous）,串行同步通信信息格式,同步字符,（,SYN1),同步字符,（,SYN2),数据,（,DATA),同步通信的效率（协议开销）,例：,SDLC/HDLC,帧格式：,假定数据长度为,2048,位，,通信效率为：,2048/（204848,）,97%,协议开销仅为,3,一般公式：,SDLC/HDLC,协议开销,1.0,N/(N+48),，,其中,N,为发送数据的比特数。,标志,01111110,地址,8,位,控制,8,位,CRC,8,位,CRC,8,位,标志,01111110,数据场,11.4 可编程串行通信接口8251,A,Intel 8251A,是通用同步/异步收发器,USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter），,它是专为,Intel,微处理器设计的，可用作,CPU,和串行外设的接口电路。,11.4.1 8251,A,的基本性能,(1)可用于同步和异步传送。,(2)同步传送：58位/字符；内部或外部字符同步；可自动插入同步字符。,(3)异步传送：58位/字符；时钟速率为通信速率的1、16、64倍。,(4),异步传送时，可产生中止字符,（,BreakCharacter,）；,可产生1、1.5、或2位的停止位；可检测假起始位；可自动检测和处理中止字符。,(5)波特率：异步：,DC-19.2K；,同步：,DC-64K。,(6),全双工、双缓冲器发送和接收。,(7)差错检测：具有,奇偶错、溢出错和帧格式错,等差错检测电路。,(8)28脚双列直插式封装。,(9)全部输入输出与,TTL,电平兼容；单一+5,V,电源；单一,TTL,电平时钟；,Intel 8251A,PROGRAMMABLE COMMUNICATION INTERFACE,n,Synchronous and Asynchronous Operation,n,Synchronous 5-8 Bit Characters；Internal or External Character Synchronization；Automatic Sync Insertion,n,Asynchronous 5-8 Bit Characters；Clock Rate-1,16 or 64 Times Baud Rate；Break Character Generation；1,1.5,or 2 Stop Bits；False Start Bit Detection；Automatic Break Detect and Handling；,n,Synchronous Baud RateDC to 64K Baud,n,Asynchronous Baud Rate DC to 19.2K Baud,n,Full Duplex,double Buffered,Transmitter and Receiver,n,Error Detection Parity,Overrun and Framing,n,Fully Compatible with 8080/8085 CPU,n,28-Pin DIP Package,n,All Inputs and Outputs are TTL Compatible,n,Single+5V Supply,n,Single TTL Clock,11.4.2 8251,A,的基本功能和工作原理,1.8251,A,的引脚,8251,A,有28条引脚，引脚分配如图11.12所示。,8251A,D,1,T,x,D,CLK,RESET,DSR,RTS,DTR,R,x,C,Vcc,D,0,T,x,EMPTY,CTS,WR,T,x,C,D,7,D,6,D,5,D,4,GND,R,x,D,D,3,CS,RD,C/D,SYNDET/BRKDET,T,x,RDY,R,x,RDY,1,10,9,8,7,6,5,4,3,2,11,13,12,28,19,20,21,22,23,24,25,26,27,18,15,16,17,14,D,2,图 11-12,8251,A,的引脚信图,2.8251,A,方块图及工作原理,8251,A,的结构方块图如图11.13所示。,由图中可看出8251,A,可分为5个部分。,(1)接收器,(2)发送器,(3)数据总线缓冲器,(4)调制解调器控制电路,(5)读写控制逻辑电路,数据总线,缓冲器,读/,写,控制逻辑电路,调制,/,解调,控制电路,接收控制电路,串并,转换,发送,缓冲器,缓冲器,并串,转换,发送控制电路,RESET,CLK,C/D,RD,WR,CS,DSR,DTR,CTS,RTS,D,7,-D,0,内,部,总,线,T,X,D,R,X,D,T,X,EMPTY,T,X,C,R,X,RDY,R,X,C,SYNDET,T,X,RDY,发送器,接收器,图 11.13,8251,A,内部结构方块图,接收,11.4.3 8251,A,对外接口信号,8251,A,是,CPU,与外设之间的接口电路，其对外的接口信号可分为两组：,一组是与,CPU,的接口信号;,另一组是与外设之间的接口信号(参见图11.15)。,8086,8251A,外设,D7-D0,CLK,译码,CS,AB,M/IO,C/D,RD,RD,WR,WR,T,X,RDY,T,X,EMPTY,R,X,RDY,SYNDET,RESET,DTR,DSR,RTS,CTS,T,X,D,R,X,D,计数器,/,定时器,R,X,C,T,X,C,图 11.15,8251,A,的对外接口信号,1.8251,A,与,CPU,之间的接口信号,(1),复位信号,RESET,(2),数据线,D7D0,(3),读写控制信号,(4)收发联络信号,表11-1,8251,A,的读/写控制真值表,CS C/D RD WR,操作,0 0 0 1,CPU,从8251,A,读数据,0 0 1 0,CPU,往8251,A,写数据,0 1 0 1,CPU,从8251,A,读状态,0 1 1 0,CPU,往8251,A,写控制命令,0 1 1,D7D0,为高阻态,1 ,D7D0,为高阻态,2.8251,A,与外设之间的接口信号,有四个,Modem,控制信号,DTR、DSR、RTS,和,CTS。,另外还有四个信号，如下所述：,(1)接收器时钟,R,X,C,(2),发送器时钟,T,X,C,(3),接收数据线,R,X,D,(4),发送数据线,T,X,D,本 地,Modem,远 程,Modem,计 算 机,终 端,1,2,3,4,5,6,7,8,20,22,101,103,104,105,106,107,102,109,108,125,机壳地,发送数据(,TXD),接收数据(,RXD),请求发送,(,RTS,),允许发送,(,CTS),Modem,就绪,(,DSR),信号地(,GND),载波检测（,CD),终端就绪,(,DTR),呼叫指示,载波检测,呼叫指示,电话线,CCITT,信号名,插脚号,V.24/RS-232C,信号连接与定时关系,a),信号线连接,11.4.4 8251,A,的编程,8251,A,的编程包括两个部分，一个是,方式指令字,，另一个是,命令指令字,。,前者用来定义8251,A,的工作方式，它必须紧接在复位后由,CPU,写入；,后者用来指定芯片的实际操作，只有在写入了方式选择控制字后，才能由,CPU,写入。,1.方式指令字,方式指令字的格式如图11.16所示。,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,S2,S1,EP,PEN,L2,L1,B2,B1,00,同步方式,01,异步方式（,X1）,10,异步方式（,X16）,11,异步方式（,X64）,00,字符长度为,5,位,01,字符长度为,6,位,10,字符长度为,7,位,11,字符长度为,8,位,1,带奇偶校验,0,不带奇偶校验,1,偶校验,0,奇校验,异步,0,0,无效,0,1,1,位停止位,1,0,1.5,位停止位,1,1,2,位停止位,同步,1,1,1,个同步字符，外同步，,SYNDET,为输入,1,0,1,个同步字符，内同步，,SYNDET,为输出,0,1,2,个同步字符，外同步，,SYNDET,为输入,0,0,2,个同步字符，内同步，,SYNDET,为输出,图 11.16,8251,A,的方式指令字,2.命令指令字,命令指令字的格式如图11.17所示，它直接让8251,A,实现某种操作或进入规定的工作状态。,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,EH,IR,RTS,ER,SBRK,R,X,E,DTR,T,X,EN,1,进入搜索方式,1,内部复位,1,允许发送,1,数据终端准备好,1,允许接收,1,发送中止字符,0,正常工作,1,清除错误标志,1,请求发送,图 11.17,8251,A,的命令指令字,3.状态字,CPU,可以在8251,A,工作过程中利用输入指令读取当前8251,A,的状态字，从而可以检测接口和数据传输的工作状态。,8251,A,状态字的格式如图11.18所示。,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,DSR,SYNDET/BRKDET,FE,OE,PE,T,X,EMPTY,R,X,RDY,T,X,RDY,1,发送器准备好,1,数据通信设备准备好,帧格式错标志,溢出错标志,奇偶错标志,1,接收器准备好,1,发送器空,SYNDET,BRKDET,1,已达到同步,0,未达到同步,1,接收到中止字符,0,正常工作,图 11.18 8251,A,的状态字,(1)三个错误标志位,PE、OE,和,FE,，PE=1,是奇偶校验错；,OE=1,是溢出错，也称为“超越错”；,FE=1,是“帧格式错”，它们只对异步方式有效。出现这三种错误时都不中止8251,A,的工作，它们可以用操作命令字中的,ER,位来复位。,(2）,R,X,RDY、T,X,E（T,X,EMPTY）,和,SYNDET/BRKDET,位与同名引脚的状态含义相同，此处不再重述。,(3),DSR,位,是数据通信设备准备好状态位，,DSR=1,表示调制解调器或其他外设已处于准备好状态，此时,DSR,输入信号有效。,(4),T,X,RDY,是发送器准备好位，它与,输出引脚,T,X,RDY,的含义有所不同。,T,X,RDY,状态位为“1”只反映当前发送缓冲器已空，而,T,X,RDY,输出引脚,为“1”时，除发送缓冲器已空外，还需要以,CTS=0,和,T,X,EN=1,为条件，即存在如下逻辑关系：,输出引脚,T,X,RDY,为“1”=发送缓冲器空（,CTS=0）（T,X,EN=1）,通常,T,X,RDY,状态位提供,CPU,查询，而,T,X,RDY,引脚,的输出信号作为中断请求信号发给,CPU。,4.8251,A,的初始化及数据传送流程图,8251,A,的初始化及数据传送流程图如图11.19所示。,输出方式指令字,输出第一个同步字符,异步方式？,是单同步？,RESET,输出第二个同步字符,输出命令指令字,有复位命令否？,传送数据,输出命令指令字或输入状态字,数据完否？,Y,N,N,N,N,Y,Y,Y,图 11.19 8251,A,初始化和数据传送流程图,8251,A,的初始化编程必须,在复位操作之后，先设置方式指令字；,如果设定在,异步方式,，则马上要输出,命令指令字,进行设置，然后才能进行数据传送；,在数据传送过程中，也可使用,命令指令字,进行某些操作设置或读取8251,A,的状态；,在数据传送结束时，若使用,IR,位为“1”的内部复位命令使8251,A,复位，则它又可重新接收方式指令字，从而改变工作方式完成其他传送任务。,如果设定8251,A,工作在,同步方式,，那么在输出方式指令字后，应紧跟着输出一个同步字符或两个同步字符，然后再输出命令指令字，后面的操作与异步方式相同。,5.编程举例,(1)异步方式下的初始化编程,设定8251,A,工作于异步方式，波特率因子为64，每字符7个数据位，偶校验，2位停止位，则,方式指令字,为,11,11,10,11,=,FBH。,命令指令字,的设定，例如使8251,A,的发送器允许，接收器允许，使状态寄存器中的3个错误标志位复位，使数据终端准备好信号,DTR,输出低电平，则,命令指令字,应为00010111=17,H。,若8251,A,的端口地址为,50,H、51H,，,则本例初始化程序如下：,MOV AL,0FBH,；,输出方式指令字,OUT 51H,AL,MOV AL,17H ；,输出命令指令字,OUT 51H,AL,(2)同步方式下的初始化编程举例,8251,A,工作于同步方式，双同步字符，同步字符设定为16,H，,内同步，偶校验，每字符7个数据位，则,方式指令字,为,00111000,B=38H,。,命令指令字,设定为,10010111,B=97H,，,使发送器允许，接收器允许，使错误标志复位，开始搜索同步字符，并通知调制解调器，数据终端设备已准备就绪。,8251,A,的端口地址为,50,H、51H,，,则本例初始化程序如下：,MOV AL,38H,；,输出方式指令字,OUT 51H,AL,MOV AL,16H,；,输出两个,同步字符16,H,OUT 51H,AL,OUT 51H,AL,MOV AL,97H,；,输出命令指令字,OUT 51H,AL,CPU,执行上述程序之后，即完成了对8251,A,同步方式的初始化编程。,11.4.5 8251,A,的应用,1.利用8251,A,实现与终端的通信,2.利用8251,A,实现双机通信,利用8251,A,实现相距较近（不超过15米）的两台微机通信，其硬件连接如图11.20所示。,由于是近距离通信，因此不用,Modem，,两台微机直接通过,RS-232C,相连即可，且通信双方均作为数据终端设备,DTE；,由于采用,EIA RS-232C,接口标准，所以需要加接电平转换电路。,通信时假设对方已准备好，所以可不使用四根联络信号（指,DTR,DSR,RTS,CTS)，,仅使8251,A,的,CTS,接地即可。,甲乙两机可进行半双工或全双工通信。,CPU,与接口之间可按查询方式或中断方式进行数据传送。,本例采用,半双工通信，查询方式，异步传送。,8251A,CTS,DSR,R,x,D,T,x,C,R,x,C,CLK,系统主时钟,T,x,D,RTS,DTR,CPU,总线,时钟电路,甲机,EIA/,TTL,电,平,转,换,2,3,7,2,3,7,DTE,DTE,T,x,D,T,x,D,R,x,D,R,x,D,EIA/,TTL,电,平,转,换,8251A,CTS,DSR,R,x,D,T,x,C,R,x,C,CLK,T,x,D,RTS,DTR,系统主时钟,CPU,总线,时钟电路,RS232C,接口,图 11.20,利用,8251,A,进行双机通信硬件连接图,乙机,GND,(1)发送端初始化程序及控制程序如下所示(,设在此之前已对,8251,A,进行了复位操作)：,START:MOV DX,8251A,控制端口号,MOV AL,7AH ；,输出方式指令字,，异步方式，7位数据位，1位停止位,OUT DX,AL ；,偶校验，波特率因子为16,MOV AL,11H ；,输出命令指令字,，发送器允许，错误标志复位,OUT DX,AL,MOV SI,发送数据块首地址,MOV CX,发送数据块字节数,NEXT:MOV DX,8251A,控制端口号,IN AL,DX ；,输入状态字,TEST AL,01H ；,查询状态位,TXRDY,是否为“1”,JZ NEXT ；,发送未准备好，则继续查询,MOV DX,8251A,数据端口号,MOV AL,SI ；,发送准备好，则从发送区取一字节数据发送,OUT DX,AL,INC SI ；,修改地址指针,LOOP NEXT ；,未发送完，继续,HLT,(2),接收端初始化及控制程序如下所示(,设在此之前已对8251,A,进行了复位操作,)：,BEGIN:MOV DX,8251A,控制端口号,MOV AL,7AH ；,输出方式指令字,OUT DX,AL,MOV AL,14H ；,输出命令指令字,OUT DX,AL,MOV DI,接收数据块首地址,MOV CX,接收数据块字节数,L1:MOV DX,8251A,控制端口号,IN AL,DX ；,输入状态字,TEST AL,02H ；,查询状态位,R,RDY,是否为“1”,JZ L1 ；,接收未准备好，则继续查询,TEST AL,08H ；,检测是否有奇偶校验错,JZ ERR ；,若有错，则转出错处理,MOV DX,8251A,数据端口号,IN AL,DX,；,接收准备好，则接收一个字节,MOV DI,AL ；,存入接收数据区,INC DI ；,修改地址指针,LOOP L1,；,未接收完，则继续,HLT,8251,A,初始化的补充说明,(,关于先写3次“0”的问题）,MOV DX,2B9H,MOV AL,0,OUT DX,AL ;,OUT DX,AL,;,OUT DX,AL ;,向8251,A,写3次“0”,MOV AL,40H;,内部复位,OUT DX,AL,MOV AL,4EH ;,方式指令字,OUT DX,AL;,MOV AL,27H;,命令指令字,OUT DX,AL,Intel 8251A,PROGRAMMABLE COMMUNICATION INTERFACE,A Reset Operation(internal or external)will return the 8251A to the Mode instruction format.,Note:,To guarantee that the device is in the Command instruction format before the Reset command is issued.It is safest to execute the worst-case initialization sequence(sync mode with two sync characters).,Loading three 00Hs consecutively into the device with C/D=1 configures sync operation and writes two dummy 00H sync characters.An internal Reset command,(40H),may then be issued to return the device to the“idle”state.,第,11章 作业,P342,第7题,第13题,第14题,第15题,