微機原理與接口技術(shù)第10章_串行通信和可編程接口芯片8251A

1、第十章第十章 串行通信和可編程接口芯片串行通信和可編程接口芯片8251A 10-1 串行通信的基本概念串行通信的基本概念通信通信：計算機與外部的信息交換。：計算機與外部的信息交換。 串行通信串行通信 并行通信并行通信兩種方式兩種方式兩種通信方式兩種通信方式串行通信：數(shù)據(jù)按串行通信：數(shù)據(jù)按bit，依次傳送，依次傳送TXDTXDRXDRXD計計算算機機外外設(shè)設(shè)或或計計算算機機狀態(tài)狀態(tài)控制控制D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7計計算算機機外外設(shè)設(shè)或或計計算算機機并行通信：數(shù)據(jù)各并行通信：數(shù)據(jù)各bit同時傳送同時傳送逐位依次順序傳送，通信雙方需嚴格同步；逐位依次順序傳送，

2、通信雙方需嚴格同步；適于長距離適于長距離(30M)通信通信傳送線路少，成傳送線路少，成本低；本低；速度慢。速度慢。n位數(shù)據(jù)同時傳送；位數(shù)據(jù)同時傳送；速度快；速度快；長距離通信時傳送線路多，成本高。長距離通信時傳送線路多，成本高。并行通信和串行通信的特點：并行通信和串行通信的特點： 串行通信是逐位傳送數(shù)據(jù)，所以一個多位數(shù)據(jù)串行通信是逐位傳送數(shù)據(jù)，所以一個多位數(shù)據(jù)需要多次傳送。比如一個需要多次傳送。比如一個8 8位的字節(jié)型數(shù)據(jù)至位的字節(jié)型數(shù)據(jù)至少需要少需要8 8次傳送。它有如下特點：次傳送。它有如下特點：速度較慢；速度較慢；引線少；引線少；距離長。距離長。 現(xiàn)在的臺式現(xiàn)在的臺式PCPC機一般至少有

3、兩個機一般至少有兩個RSRS232232串行口串行口COM1COM1和和COM2COM2，通常，通常COM1COM1使用的是使用的是9 9針針D D形連接器，而形連接器，而COM2COM2使用的是使用的是老式的老式的DB25DB25針連接器。針連接器。 串行通信的硬件條件串行通信的硬件條件在硬件上，串行通信系統(tǒng)的核心部件是移位寄存器在硬件上，串行通信系統(tǒng)的核心部件是移位寄存器，其中在發(fā)端要有一個并入串出移位寄存器，在，其中在發(fā)端要有一個并入串出移位寄存器，在收端要有一個串入并出移位寄存器。收端要有一個串入并出移位寄存器。 D QD QCLKD QCLKD0D6并入串出移位寄存器D QD QCL

4、KD QCLKD7D1并出串入移位寄存器 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 D7D0串行通信的同步串行通信的同步 為了可靠的串行通信，同步信號起到至關(guān)重要的作為了可靠的串行通信，同步信號起到至關(guān)重要的作用。在理想情況下，同步信號應(yīng)該在數(shù)據(jù)信號線上出用。在理想情況下，同步信號應(yīng)該在數(shù)據(jù)信號線上出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)期間的中心點有效，因為這時數(shù)據(jù)線上的現(xiàn)有效數(shù)據(jù)期間的中心點有效，因為這時數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)是最穩(wěn)定的。數(shù)據(jù)是最穩(wěn)定的。D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0同步脈沖但在典型的串行通信系統(tǒng)中，但在典型的串行通信系統(tǒng)中，是

5、不存在同步信號線是不存在同步信號線的！的！如何實現(xiàn)串行通信的中數(shù)據(jù)傳送的同步呢？系如何實現(xiàn)串行通信的中數(shù)據(jù)傳送的同步呢？系統(tǒng)從軟件和硬件兩方面采取了如下三個措施：統(tǒng)從軟件和硬件兩方面采取了如下三個措施：（1 1） 設(shè)置波特率波特率是指單位時間內(nèi)傳送的位設(shè)置波特率波特率是指單位時間內(nèi)傳送的位數(shù)，單位是比特數(shù)，單位是比特/ /秒。秒。（2 2）設(shè)置數(shù)據(jù)的傳送格式，一般地串行通信在傳送）設(shè)置數(shù)據(jù)的傳送格式，一般地串行通信在傳送數(shù)據(jù)時，并不是單純地傳送數(shù)據(jù)位信息。為了使數(shù)據(jù)時，并不是單純地傳送數(shù)據(jù)位信息。為了使數(shù)據(jù)傳送可靠，還設(shè)定了其他一些輔助位。數(shù)據(jù)傳送可靠，還設(shè)定了其他一些輔助位。（3） 設(shè)置波特

6、率因子設(shè)置波特率因子在異步通信方式進行通信時，發(fā)送端需要用時鐘來決在異步通信方式進行通信時，發(fā)送端需要用時鐘來決定每定每1 1位對應(yīng)的時間長度，接收端也需要用一個時位對應(yīng)的時間長度，接收端也需要用一個時鐘來測定每鐘來測定每1 1位的時間長度，前一個時鐘叫位的時間長度，前一個時鐘叫發(fā)送時發(fā)送時鐘鐘，后一個時鐘叫，后一個時鐘叫接收時鐘接收時鐘。這兩個時鐘的頻率可。這兩個時鐘的頻率可以是波特率的數(shù)倍，一般取以是波特率的數(shù)倍，一般取1616倍、倍、3232倍或倍或6464倍。這倍。這個倍數(shù)就稱為波特率因子。個倍數(shù)就稱為波特率因子。一、數(shù)據(jù)傳送的方向一、數(shù)據(jù)傳送的方向1. 單工單工2. 半雙工半雙工3.

7、 全雙工全雙工二、串行通信的兩種基本工作方式二、串行通信的兩種基本工作方式1. 異步方式異步方式數(shù)據(jù)傳輸效率相對較低！數(shù)據(jù)傳輸效率相對較低！異步異步方式方式是指以字符為單位傳送數(shù)據(jù)，用起始位是指以字符為單位傳送數(shù)據(jù)，用起始位和停止位標識每個字符的開始和結(jié)束字符，兩次和停止位標識每個字符的開始和結(jié)束字符，兩次傳送時間隔不固定。傳送時間隔不固定。2. 同步方式同步方式注意注意：接收發(fā)送雙方時鐘必須同步?。航邮瞻l(fā)送雙方時鐘必須同步！異步異步方式方式為了可靠地傳送數(shù)據(jù)，在每次傳送數(shù)據(jù)為了可靠地傳送數(shù)據(jù)，在每次傳送數(shù)據(jù)的同時，附加了一些標志位。在大量數(shù)據(jù)傳送時的同時，附加了一些標志位。在大量數(shù)據(jù)傳送時，

8、為了提高速度，就去掉這些標志，這就是同步，為了提高速度，就去掉這些標志，這就是同步通訊。采用同步傳送，在數(shù)據(jù)塊開始處要用同步通訊。采用同步傳送，在數(shù)據(jù)塊開始處要用同步字符來指示，并在發(fā)送端和接收端之間要用時鐘字符來指示，并在發(fā)送端和接收端之間要用時鐘來實現(xiàn)同步。來實現(xiàn)同步。三、串行傳輸速率（波特率）三、串行傳輸速率（波特率）波特率：每秒所傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。波特率：每秒所傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。 單位為波特（即比特單位為波特（即比特/秒：秒：bps）例如一個串行字符由例如一個串行字符由1個起始位、個起始位、7個數(shù)據(jù)個數(shù)據(jù)位、位、1個奇偶校驗位和個奇偶校驗位和1個停止位這個停止位這10位構(gòu)位構(gòu)成，每秒傳送成

9、，每秒傳送120個這樣字符，則數(shù)據(jù)傳送個這樣字符，則數(shù)據(jù)傳送的波特率為：的波特率為：10位位/字符字符120字符字符/秒秒1200bps傳送傳送1位數(shù)據(jù)需要多長時間？位數(shù)據(jù)需要多長時間？波特率因子波特率因子: 在異步通信方式進行通信時，發(fā)送端需在異步通信方式進行通信時，發(fā)送端需要用時鐘來決定每要用時鐘來決定每1位對應(yīng)的時間長度，接位對應(yīng)的時間長度，接收端也需要用一個時鐘來測定每收端也需要用一個時鐘來測定每1位的時間位的時間長度，前一個時鐘叫發(fā)送時鐘，后一個時鐘長度，前一個時鐘叫發(fā)送時鐘，后一個時鐘叫接收時鐘。這兩個時鐘的頻率可以是波特叫接收時鐘。這兩個時鐘的頻率可以是波特率的數(shù)倍，一般取率的數(shù)

10、倍，一般取16倍、倍、32倍或倍或64倍。這個倍。這個倍數(shù)就稱為波特率因子。倍數(shù)就稱為波特率因子。四、異步串行收發(fā)器四、異步串行收發(fā)器UART五、調(diào)制解調(diào)器（五、調(diào)制解調(diào)器（MODEM） 能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成音頻信號和能將能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成音頻信號和能將音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件稱為調(diào)制音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件稱為調(diào)制解調(diào)器。解調(diào)器。 調(diào)制的主要形式有幅度調(diào)制、頻率鍵調(diào)制的主要形式有幅度調(diào)制、頻率鍵移移FSK、相位鍵移、相位鍵移PSK和多路載波幾種。和多路載波幾種。 10-2 可編程串行通信接口芯片可編程串行通信接口芯片8251A一、一、8251A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳發(fā)

11、送和接收電路調(diào)制解調(diào)控制電路 總線接口部分1. 數(shù)據(jù)總線緩沖器數(shù)據(jù)總線緩沖器 用作用作8251A與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線之間的接口，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線之間的接口，內(nèi)部包含內(nèi)部包含3個三態(tài)、雙向、個三態(tài)、雙向、8位緩沖器，它們位緩沖器，它們是狀態(tài)緩沖器、接收數(shù)據(jù)緩沖器和發(fā)送數(shù)據(jù)是狀態(tài)緩沖器、接收數(shù)據(jù)緩沖器和發(fā)送數(shù)據(jù)/命令緩沖器。命令緩沖器。2. 接收緩沖器和接收控制電路接收緩沖器和接收控制電路 接收數(shù)據(jù)的速率取決于接收端接收數(shù)據(jù)的速率取決于接收端 時鐘時鐘頻率。在異步方式下，它可以是波特率的頻率。在異步方式下，它可以是波特率的1、16或或64倍。（即波特率因子是倍。（即波特率因子是1、16或或64）。）。Rx

12、C 在異步方式下，若波特率因子為在異步方式下，若波特率因子為16，則，則8251A對數(shù)據(jù)的采樣過程如下圖所示。對數(shù)據(jù)的采樣過程如下圖所示。 內(nèi)同步：內(nèi)同步：8251A自身先檢測一個或兩個自身先檢測一個或兩個字節(jié)數(shù)據(jù)與同步字符寄存器中的內(nèi)容進行字節(jié)數(shù)據(jù)與同步字符寄存器中的內(nèi)容進行比較，若一樣，則表示達到同步，從比較，若一樣，則表示達到同步，從8251A的的SYNDET引腳輸出一個高電平。引腳輸出一個高電平。 外同步：由外部電路來檢測同步字符，外同步：由外部電路來檢測同步字符，若檢測到同步字符，就輸入一個高電平到若檢測到同步字符，就輸入一個高電平到8251A的的SYNDET引腳，通知引腳，通知82

13、51A。在同步方式下：內(nèi)同步和外同步。在同步方式下：內(nèi)同步和外同步。3. 發(fā)送緩沖器和控制電路發(fā)送緩沖器和控制電路 并行數(shù)據(jù)通過發(fā)送緩沖器中的移位寄存并行數(shù)據(jù)通過發(fā)送緩沖器中的移位寄存器轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，經(jīng)器轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，經(jīng)TXD引腳發(fā)出。引腳發(fā)出。 異步方式：按起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校異步方式：按起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位順序發(fā)送，發(fā)送速率取決于引驗位和停止位順序發(fā)送，發(fā)送速率取決于引腳腳 上的時鐘頻率，它可以是波特率的上的時鐘頻率，它可以是波特率的1倍、倍、16倍或倍或64倍。倍。TxC 同步方式：先發(fā)送同步方式：先發(fā)送1個或個或2個同步字符，個同步字符，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)。在同步發(fā)送時

14、，字符之間然后再發(fā)送數(shù)據(jù)。在同步發(fā)送時，字符之間不允許存在空隙！不允許存在空隙！4. 讀讀/寫控制電路寫控制電路 用來接收用來接收CPU的控制信號和控制命令字，的控制信號和控制命令字，決定決定8251A的工作狀態(tài)以及向內(nèi)部部件發(fā)出的工作狀態(tài)以及向內(nèi)部部件發(fā)出控制信號?？刂菩盘枴＃?）RESET：復(fù)位：復(fù)位（2）CLK：時鐘輸入：時鐘輸入（5） ：控制：控制/數(shù)據(jù)端口選擇信號（數(shù)據(jù)端口選擇信號（A0）DC/（3） ， ：讀，寫信號：讀，寫信號WRRD（4） ：片選信號：片選信號CS5. 8251A與與CPU及外設(shè)的連接及外設(shè)的連接數(shù)據(jù)端口地址：數(shù)據(jù)端口地址：E0H控制端口地址：控制端口地址：E2

15、H二、二、8251A的編程的編程 對對8251A的編程主要包括：的編程主要包括：寫入方式字寫入方式字：用來確定：用來確定8251A的工作方式，的工作方式，如同步或異步方式、波特率、字符長度及是如同步或異步方式、波特率、字符長度及是否需要奇偶校驗等。否需要奇偶校驗等。寫入命令字寫入命令字：用來控制允許或禁止：用來控制允許或禁止8251A收收發(fā)數(shù)據(jù)，啟動搜索同步字符，迫使發(fā)數(shù)據(jù)，啟動搜索同步字符，迫使8251A內(nèi)內(nèi)部復(fù)位等。部復(fù)位等。讀入狀態(tài)字讀入狀態(tài)字：了解：了解8251A的工作狀態(tài)。的工作狀態(tài)。1. 方式字格式方式字格式2. 命令字格式命令字格式I IR RE EH HR RT TS SE E

16、R R S SB BR RK K R Rx xE ED DT TR R T Tx xE EN N1 1：使使錯錯誤誤標標志志P PE E、O OE E、F FE E復(fù)復(fù)位位1 1：內(nèi)內(nèi)部部復(fù)復(fù)位位，使使8 82 25 51 1A A回回到到方方式式選選擇擇格格式式1 1：允允許許發(fā)發(fā)送送0 0：禁禁止止發(fā)發(fā)送送1 1：使使D DT TR R引引腳腳輸輸出出低低電電平平1 1：允允許許接接收收0 0：禁禁止止接接收收0 0：正正常常工工作作1 1：使使T Tx xD D線線變變低低，發(fā)發(fā)送送空空白白字字符符1 1：使使R RT TS S引引腳腳輸輸出出低低電電平平1 1：啟啟動動搜搜索索同同步步

17、字字符符3. 狀態(tài)字格式狀態(tài)字格式 TxRDY是發(fā)送器準備好狀態(tài)位，它與引腳是發(fā)送器準備好狀態(tài)位，它與引腳信號有些區(qū)別。信號有些區(qū)別。4. 8251A的編程流程圖的編程流程圖三、三、8251A初始化編程舉例初始化編程舉例1. 異步方式初始化程序異步方式初始化程序 軟件復(fù)位軟件復(fù)位：連續(xù)：連續(xù)3次向次向8251A控制端口寫控制端口寫入入00H數(shù)據(jù)，然后再寫入數(shù)據(jù)，然后再寫入1次數(shù)據(jù)次數(shù)據(jù)40H。 寫恢復(fù)時間寫恢復(fù)時間：16個個Tclk。 （寫入數(shù)據(jù)字符可以不考慮）（寫入數(shù)據(jù)字符可以不考慮） 例如要求例如要求8251A工作于異步方式，波特工作于異步方式，波特率因子為率因子為16，7個數(shù)據(jù)位，個數(shù)據(jù)

18、位，1個停止位，偶校個停止位，偶校驗，控制字端口為驗，控制字端口為E2H，寫恢復(fù)時間程序為，寫恢復(fù)時間程序為REVTIME，則對，則對8251A的初始化程序為：的初始化程序為：MOVAL，00H ；軟件復(fù)位；軟件復(fù)位OUT0E2H，ALREVTIMEOUT0E2H，ALREVTIMEOUT0E2H，ALREVTIMEMOVAL，40HOUT0E2H ，ALREVTIMEMOVAL，01111010B；寫入方式字；寫入方式字OUT0E2H ，ALREVTIMEMOVAL，00010101B；寫入命令字；寫入命令字OUT0E2H ，AL2. 同步方式初始化程序同步方式初始化程序流程流程：軟件復(fù)位：

19、軟件復(fù)位寫入方式字寫入方式字寫入同步字寫入同步字 符符寫入命令字寫入命令字 例如要求例如要求8251A工作于同步方式，雙同工作于同步方式，雙同步字符，兩個同步字符都為步字符，兩個同步字符都為16H，7個數(shù)據(jù)位，個數(shù)據(jù)位，奇校驗，控制字端口為奇校驗，控制字端口為E2H，寫恢復(fù)時間程，寫恢復(fù)時間程序為序為REVTIME，則對，則對8251A寫入軟件復(fù)位以寫入軟件復(fù)位以后的初始化程序為：后的初始化程序為：；軟件復(fù)位；軟件復(fù)位MOVAL，00011000B；寫入方式字；寫入方式字OUT0E2H ，ALREVTIMEMOVAL，16H ；寫入同步字符；寫入同步字符OUT0E2H，ALREVTIMEOUT

20、0E2H，ALREVTIMEMOVAL，10010101B；寫入命令字；寫入命令字OUT0E2H ，AL10.3 EIA RS10.3 EIA RS232C232C串行口和串行口和8251A8251A應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例一、RS232C電器特性及接口信號 1電氣特性 在數(shù)據(jù)線TXD和RXD上： 邏輯1=3V15V 邏輯0=3V15V 在控制線和狀態(tài)線RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上： 信號有效3V15V 信號無效3V15V 2RS232C與TTL轉(zhuǎn)換 RS232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠使計算機接口與終端的TTL器件連接，必須在R

21、S232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系變換。 MAX232 3RS-232C的接口信號的接口信號 可以用電纜線直接連接標準可以用電纜線直接連接標準RS232RS232端口，但端口，但通信距離較近通信距離較近(12m)(12m)。若距離較遠，可附加調(diào)。若距離較遠，可附加調(diào)制解調(diào)器（制解調(diào)器（MODEMMODEM）。）。RSRS232C232C規(guī)標準接口有規(guī)標準接口有2525條線，最常用的信號線有條線，最常用的信號線有9 9根。根。二、二、RSRS232C232C應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 1 1RSRS232C232C串口通信接線方法（三線制）串口通信接線方法（三線制） RS-232MAX232MCS51TXDRXDTXDRXD2 2BIOSBIOS串行通信口功能串行通信口功能 IBM PCIBM PC及其兼容機提供了比較靈活的關(guān)于串行口的及其兼容機提供了比較靈活的關(guān)于串行口的BIOSBIOS中斷調(diào)用方法，即通過中斷調(diào)用方法，即通過INT 14HINT 14H調(diào)用調(diào)用ROM BIOSROM BIOS串行通信口例行程序。該例行程序包括將串行口初串行通信口例行程序。該例行程序包括將串行口初始化為指定的字節(jié)結(jié)構(gòu)和傳輸速率，檢查控制器的始化為指定的字節(jié)結(jié)構(gòu)和傳輸速率，檢查控制器的狀態(tài)，讀寫字符等功能狀態(tài)，讀寫字符等功