微機(jī)原理講義（8）串行

1、PAGE 第6章 串行接口和串行通信8.1串行通信的基本概念串行接口內(nèi)部有4個主要寄存器，控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出寄存器控制寄存器容納CPU送來的各種控制信息，決定接口的工作方式。狀態(tài)寄存器中的各狀態(tài)位，指出當(dāng)前傳輸狀態(tài)或錯誤。數(shù)據(jù)輸入寄存器總是和串入并出寄存器相連，收完一個字符打入輸入寄存器。兩個地址加上讀寫信號就可區(qū)分這4個寄存器（兩只讀、兩只寫）。1. 全雙工方式和半雙工方式全雙工數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的兩個傳輸方向采用不同的通路，可同時收發(fā)。半雙工輸入過程和輸出過程采用同一通路，收發(fā)交替進(jìn)行。 圖8.1 單工、半雙工和全雙工方式2.信號調(diào)制與解調(diào)遠(yuǎn)距離通信時采用電話線路，數(shù)字信號通

2、過電話線路發(fā)生畸變，在發(fā)送端把數(shù)字信號模擬信號，接收端ADFSK(頻移鍵控)是常用方法，“1”和“0”調(diào)制成不同頻率的模擬信號。見圖8.33.同步方式和異步方式同步通信時，將許多字符組成一個信息組（信息幀）同步字符開頭，不允許有間隙效率高，但要求時鐘頻率相同。異步通信時，兩字符間間隔任意，故每個字符前后都需要分隔符，雙方時鐘相近圖8.4 標(biāo)準(zhǔn)的異步通訊數(shù)據(jù)格式除編碼信息外，還要傳輸幾個外加信息。具體如下：1個字符開始傳輸前，數(shù)出現(xiàn)必須為邏輯“1”標(biāo)識態(tài)?！?”為起始位。58位信息位。可選的奇偶校驗(yàn)位。1，1.5，或2位停止位。如接著傳第2個字符，又是起始位，否則為標(biāo)識態(tài)“1”同一系統(tǒng)中，上述位

3、數(shù)應(yīng)是固定的。對8251A控制寄存器編程設(shè)置這些參數(shù)發(fā)送時鐘：發(fā)送端用時鐘來決定每1位對應(yīng)的時間長度接收時鐘：接收端也要用一個時鐘來測定每一位的時間長度。波特率因子這兩種時鐘的頻率可以為位傳輸率的11664倍大多數(shù)串行接口可以檢測三種錯誤：奇偶校驗(yàn)錯誤、覆蓋錯、信息幀格式錯誤通用異步收發(fā)器(UART-universal asynchronous receiver & transmitter)：能實(shí)現(xiàn)串并并串轉(zhuǎn)換，并能檢測三類錯誤的部件。同步傳輸過程中，一個字符也可58位，同一過程應(yīng)不變。n位一時間片為一個字符。整個系統(tǒng)由一個統(tǒng)一的時鐘控制兩端采樣。同步傳輸時，一個信息幀包含多個字符，每幀都用同

4、步字符開頭。面向字符型的數(shù)據(jù)格式有單同步、雙同步和外同步三種格式。SYNC字節(jié)1字節(jié)2.字節(jié)nCRC1CRC2 .數(shù)據(jù)幀.SYNC1SYNC2字節(jié)1.字節(jié)nCRC1CRC2 .數(shù)據(jù)幀.字節(jié)1字節(jié)3字節(jié)3.字節(jié)nCRC1CRC2 .數(shù)據(jù)幀.面向比特型的數(shù)據(jù)格式01111110地址場控制場D0D1.DNCRC1CRC201111110開始標(biāo)志 .數(shù)據(jù). 結(jié)束標(biāo)志干擾可能使同步字符傳輸差錯。同步字符的去除可用軟件、硬件法。8.2有關(guān)串行通信的物理標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)通信，機(jī)機(jī)通信，與電話等其他通信設(shè)備互聯(lián)，建立了幾個一致的概念和標(biāo)準(zhǔn)。3個方面：傳輸率、電特性、機(jī)械特性(信號名稱.接口標(biāo)準(zhǔn))。傳輸率每秒傳輸多少位

5、2進(jìn)制數(shù)，也叫波特率。國際標(biāo)準(zhǔn)的波特率系列：110. 300. 600. 1200. 1800. 2400. 4800. 9600. 19,200.大多數(shù)接口的收發(fā)波特率可編程分別設(shè)定。例子：1200波特率下同步異步傳輸字符數(shù)比較。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)。信號電平：515V規(guī)定為“1”，515V為“0”。機(jī)械特性：25芯扁平插座。控制信號的定義 見表8.9 RS-232-C的信號定義。8.2可編程串行通訊接口8251A8.2.1 8251A的基本性能8251A是可編程的串行通信接口,可以管理信號變化范圍很大的串行數(shù)據(jù)通信,基本性能如下:通過編程,可以工作在同步方式,也可以工作在異步方式,同步時波

6、特率0-64K,異步時0-19.2K.同步方式時,數(shù)據(jù)位58位, 內(nèi)部自動檢測同步字符實(shí)現(xiàn)同步,奇偶校驗(yàn)可選.異步方式時,數(shù)據(jù)位58位,自動增加1位啟動位,按程序增加停止位1 1.5 2注意:8251A的接口電平和EIA RS-232-C所要求的電平是不同的.要驅(qū)動電路. 8251A的基本工作原理1. 8251A的編程結(jié)構(gòu)圖8.6 是8251A的編程結(jié)構(gòu)和外部連接數(shù)據(jù)輸入緩沖寄存器和數(shù)據(jù)輸出緩沖寄存器使用同一個端口地址,不會混淆.接收移位寄存器將到達(dá)RxD的串行數(shù)據(jù)接收之后進(jìn)行移位，8位并行數(shù)據(jù)進(jìn)輸入緩沖寄存器，通過數(shù)據(jù)總線傳到CPU輸入過程。輸出反之?？刂萍拇嫫饔脕砜刂?251A的工作，內(nèi)容

7、由程序設(shè)定。狀態(tài)寄存器則在8251A的工作過程中為執(zhí)行程序提供一定的狀態(tài)信息。模式寄存器的內(nèi)容決定了8251A同步還是異步模式、字符格式(程序設(shè)置)8251A的2個同步字符寄存器用來容納同步方式中所用的同步字符。2. 8251A的功能結(jié)構(gòu)工作原理上看結(jié)構(gòu)圖8.7 8251A的內(nèi)部工作原理圖8251A由7個模塊組成，分別為接收緩沖器、接收控制電路、發(fā)送緩沖器、發(fā)送控制電路、數(shù)據(jù)總線緩沖器、讀寫控制邏輯電路、調(diào)制解調(diào)控制電路接收緩沖器：從RxD引腿接收串行數(shù)據(jù)，串并轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于接收移位寄存器接收控制電路：配合接收緩沖器，管理有關(guān)接收功能：。異步方式下,芯片復(fù)位后,檢測輸入信號中的有效”1”,一旦找

8、到0,即啟動位.。消除假啟動干擾。對收到的信息進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并由校驗(yàn)結(jié)果建立相應(yīng)狀態(tài)位。檢測停止位，并由結(jié)果建立狀態(tài)位。發(fā)送緩沖器把CPU來的信息并串轉(zhuǎn)換加上控制信息,從TxD發(fā)出(發(fā)送移位)發(fā)送控制電路：配合發(fā)送緩沖器工作，控制管理串行發(fā)送功能，如下：異步方式下，為數(shù)據(jù)加上起始位、校驗(yàn)位、停止位同步方式下，插入同步字符，在數(shù)據(jù)中插入校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)總線緩沖器把8251A和系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，傳送數(shù)據(jù)、狀態(tài)、命令信息讀寫控制邏輯配合數(shù)據(jù)總線緩沖器工作，如下：接收寫信號WR，并將來自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)和控制字寫入8251A接收讀信號RD，并將數(shù)據(jù)或狀態(tài)從8251A送往數(shù)據(jù)總線接收控制數(shù)據(jù)信號CD與讀寫信號

9、組合，區(qū)分?jǐn)?shù)字、狀態(tài)命令接收時鐘信號RxC，完成8251A的內(nèi)部定時接收復(fù)位信號RESET，使8251A處于空閑狀態(tài)調(diào)制解調(diào)電路用來使8251A與調(diào)制解調(diào)器的連接。8251A的發(fā)送和接收異步接收方式8251A將RxD 線上檢測到的低電平作為起始位，啟動接收控制電路中的內(nèi)部計(jì)數(shù)器(波特率16時記到8)，非干擾則裝配字符，去掉附加位，變成并行，同時發(fā)出RxRDY信號到CPU。異步發(fā)送方式當(dāng)程序置TxEN和CTS有效后，開始發(fā)送過程。例、異步傳輸過程：設(shè)每個字符對應(yīng)1個起始位、7個信息位、1個奇偶校驗(yàn)位和1個停止位，如果波特率為1 200bps，那么，每秒鐘能傳輸?shù)淖畲笞址麛?shù)為1 200/10120

10、個。 例二.同步傳輸：用1 200bps的波特率工作，用4個同步字符作為信息幀頭部，但不用奇偶校驗(yàn)，那么，傳輸100個字符所用的時間為7(100+4)/1 2000.606 7s，這就是說，每秒鐘能傳輸?shù)淖址麛?shù)可達(dá)到100/0.606 7165個?？梢姡谕瑯拥膫鬏斅氏?，同步傳輸時實(shí)際字符傳輸率要比異步傳輸時高。 同步接收方式8251A首先搜索同步(雙)字符，收到后SYNDET升為高電平，同步已實(shí)現(xiàn)。在外同步方式下，和上面不同。實(shí)現(xiàn)同步之后，接收器和發(fā)送器之間開始數(shù)據(jù)的同步傳輸。同步發(fā)送方式也要在程序置TxEN和CTS有效后，才開始發(fā)送。如CPU來不及則同步字符8251A的對外信號分為兩組:8

11、251A對CPU和8251A對外設(shè)(或調(diào)制解調(diào)器)8251A和CPU之間的連接信號分為4類：片選信號CS：CPU的地址信號譯碼后得到。CS為高電平時8251數(shù)據(jù)線高阻狀態(tài)數(shù)據(jù)信號8251有8根數(shù)據(jù)線D7-D0與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連,不只傳輸數(shù)據(jù).讀寫控制信號RD低電平有效,通知8251,CPU當(dāng)前正在從8251讀取數(shù)據(jù)或狀態(tài).WR低電平有效,通知8251,CPU當(dāng)前正在往8251寫入數(shù)據(jù)或命令信息.C/D控制數(shù)據(jù)信號,CPU送往8251,區(qū)分正在讀寫數(shù)據(jù)還是命令狀態(tài) 表8.1 C/D、WR、RD編碼組合對應(yīng)的操作C/DRDWR具體的操作001CPU從8251A輸入數(shù)據(jù)010CPU從8251A輸出數(shù)

12、據(jù)101CPU讀取8251A的狀態(tài)110CPU往8251A寫入控制命令特別說明：8251只有兩個“連續(xù)”的端口地址，數(shù)據(jù)偶地址，其它奇地址。收發(fā)聯(lián)絡(luò)信號TxRDY：發(fā)送準(zhǔn)備好告訴CPU，8251已準(zhǔn)備好發(fā)送一個字符，此時CTS、TxDRY有效，且發(fā)送緩沖器為空，TxDRY可作中斷請求或供查詢。TxE：發(fā)送器空信號，當(dāng)8251從CPU得到一個字符時變低，送出后變高。RxRDY：接收器準(zhǔn)備好，表示8251已從外設(shè)或調(diào)制解調(diào)器收到字符供CPUSYNDET：同步檢測信號只用于同步方式,內(nèi)同步時輸出,外同步時輸入.8251A和外設(shè)之間的連接信號(也分兩類)收發(fā)聯(lián)絡(luò)信號DTR：數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好data te

13、rminal ready由8251送往外設(shè),通知外設(shè)CPU就緒DSR：數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好data service ready 外設(shè)送給8251，通知CPU外設(shè)就緒RTS：請求發(fā)送信號require transmit signal通過編程設(shè)定，告知CPU就緒CTS：清除請求發(fā)送信號clear to send是對RTS的響應(yīng)信號,外設(shè)送8251,可開始發(fā)送以上4個信號是CPU和外設(shè)聯(lián)絡(luò)用的,除CTS低電平外,均非必須.數(shù)據(jù)信號TxD：發(fā)送器數(shù)據(jù)信號端,CPU送往8251的并行數(shù)據(jù)串行后由此送往外設(shè).RxD：接收器數(shù)據(jù)信號端,接收外設(shè)來的串行數(shù)據(jù),進(jìn)8251后編程并行.8251除與CPU及外設(shè)的連接信號

14、外,還有電源地3個時鐘端.TxC ：發(fā)送時鐘同步時等于波特率，異步時為其1，16，64倍，編程指定RxC：接收時鐘同上。TxC 和RxC往往連在一起，CLK為另一個較高頻率外部時鐘同步方式下TxC 和RxC即收發(fā)一個字符的時間等于時鐘周期8.3.4 8251A的編程模式寄存器的格式當(dāng)模式寄存器最低兩位為0時,8251便工作在同步模式,否則異步模式. 圖8.10 8251A模式寄存器的格式在同步模式中,接收和發(fā)送的波特率(移位寄存器的移位率)分別和TxC和RxC引腿上的輸入時鐘的頻率相等，異步時波特率因子用最低兩位確定。 時鐘頻率波特率因子波特率SYNDET是同步檢測信號，內(nèi)同步時輸出，外同步時

15、是輸入信號?？刂萍拇嫫鞯母袷?命令控制字) 圖8.11 是8251A控制寄存器的格式狀態(tài)寄存器的格式 圖8.12 是8251 A狀態(tài)寄存器的格式TxRDY1的條件：數(shù)據(jù)緩沖器控CTSTxEN=1CPU往8251輸出一字符后，TxRDY0狀態(tài)位RxRDY1 指出接口中已收到一個字符，欲送CPU。兩信號及引腿均可供編程利用。狀態(tài)寄存器的第2位TxE1時，指出當(dāng)前移位寄存器正等待輸出緩沖寄存器送一個字符過來。同步模式下TxE1時，沒事干就發(fā)同步字符。狀態(tài)寄存器的3、4、5位分別作為奇偶、超越、幀格式錯誤標(biāo)志。關(guān)于8位接口芯片和16位數(shù)據(jù)總線的連接問題大多數(shù)8位接口芯片有幾個端口地址，有奇地址也有偶地

16、址。偶地址對應(yīng)于數(shù)據(jù)端口，及地址對應(yīng)于命令、狀態(tài)、模式、同步寄存器等。特別地8086CPU低8位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)總是寫入偶地址單元或端口。高8位數(shù)據(jù)線對應(yīng)于奇地址單元或端口。處理方法是將A1線作為端口最低位地址線，則CPU側(cè)發(fā)兩個連續(xù)的偶地址到接口就變成了連續(xù)的奇偶端口地址。所以傳輸信息總是出現(xiàn)在低8位數(shù)據(jù)線上，順利連接。習(xí)慣上仍把兩個連續(xù)的偶地址稱為奇地址、偶地址。8251A的初始化這么多寄存器只有兩個地址,編程時到底寫入那一個呢?8251初始化編程必須遵守以下3個約定:芯片復(fù)位后,第1次用奇地址寫入的作為模式字進(jìn)入模式寄存器.如模式中規(guī)定為同步模式,接著往奇地址端口寫入的1或2個為同步字符這

17、之后只要不是復(fù)位命令,往奇地址端口寫入的微控制字送控制寄存器,而用偶地址寫入的送數(shù)據(jù)輸出緩沖寄存器.圖8.13 是8251A的初始化流程圖如為異步模式,設(shè)置模式自后,接著便設(shè)置控制字.8.3.5 串行接口標(biāo)準(zhǔn)串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS232C1969年美國電子工業(yè)協(xié)會制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，最初為連接計(jì)算機(jī)主機(jī)和CRT終端而設(shè)計(jì)。定義了數(shù)據(jù)終端（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間串行通信的接口信息15m.1.信號電平標(biāo)準(zhǔn)RS-232C采用負(fù)電平邏輯，TTL電平不兼容?！?”515V ; “0”515V轉(zhuǎn)換TTLRS-232C，用MC1488轉(zhuǎn)換RS-232C TTL，用MC14892.RS-232

18、C的連接方式簡單的RS-232C連接2號引腳發(fā)送數(shù)據(jù)3號引腳接收數(shù)據(jù) 見圖8.15遠(yuǎn)程連接圖8.16為計(jì)算機(jī)與當(dāng)?shù)亟K端和遠(yuǎn)程終端的連接方法，當(dāng)?shù)亟K端直接通過RS232C連接；遠(yuǎn)程終端電話線連接。TTLRS-232C電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，兩路TTLCMOSRS232兩路RS232TTLCMOS外圍電路只要四個電容，見圖8.17串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS-449與RS-422/485RS232:15m; 20Kb/s; 出現(xiàn)不兼容的25芯連接器。電氣兼物理標(biāo)準(zhǔn)。RS449：1200m；100Kb/s只是物理標(biāo)準(zhǔn)；RS422485只是電氣標(biāo)準(zhǔn)。RS449（物理標(biāo)準(zhǔn)）見表84

19、RS-422/485(電氣標(biāo)準(zhǔn))差分平衡的電氣接口，采用平衡驅(qū)動差分接收方法，取消了信號地線，一個驅(qū)動器的輸出總是另一個驅(qū)動器的反向信號一條表示“0”，另一條必為“1”。靈敏度為0.2V為例，V+-V-0.2V表示“0”；V+-V-0.2V表示：“1”抗共模干擾電壓，長距離、高速傳輸。485 半雙工，只用一對差分平衡信號線連接(圖8.18b)422 全雙工，要用兩對差分平衡信號線連接(圖8.18a)表8-6 RS-422與RS-485電氣參數(shù)的比較RS232與RS-422/485的轉(zhuǎn)換232使用廣泛，相距較遠(yuǎn)的232設(shè)備不能直接互連，232422轉(zhuǎn)換接頭可以實(shí)現(xiàn)232422遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)際是通

20、過光隔離將232的1498與422的75174，1488與422的75175MAX485芯片與RS485通信網(wǎng)絡(luò)MAX485可作為RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)的接口電路，差分平衡系統(tǒng)，抗干擾，達(dá)1.2KM，MAX485可用于合用線系統(tǒng)，雙絞線為傳輸線，組成網(wǎng)絡(luò)，可掛32個站點(diǎn)，驅(qū)動器被禁止時，輸出為高阻。120m時，1Mb/s；1200m時，100kb/s；大于1200線轉(zhuǎn)發(fā)器小問題1：RS-485接地問題僅僅用一對雙絞線將各個接口的A、B端連接起來，而不對RS-485通信鏈路的信號接地，在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患。小問題2：阻抗不連續(xù)信號在傳輸過程中如果遇到阻抗突變，信號在這個

21、地方就會引起反射，這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就是盡量保持傳輸線阻抗連續(xù)，實(shí)際工程中在電纜線的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻的原理就是為了減小信號反射。RS-485支持半雙工或全雙工模式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)，最好采用一條總線將各個節(jié)點(diǎn)串接起來。8.3.6 8251A編程舉例無論同步異步模式，都要經(jīng)電平轉(zhuǎn)換成RS-232-C與調(diào)制解調(diào)器連接。在異步模式時，發(fā)送和接收時鐘TxC、RxC由專門的波特率發(fā)生器供給，在異步模式時，兩者由調(diào)制解調(diào)器和通信設(shè)備控制。異步模式下的初始化程序舉例舉例

22、：模式字FAH、控制字寫入奇地址52H，字符7位，偶校驗(yàn)2個停止位異步波特率因子為16，則控制字為37H(清除出錯標(biāo)志)啟動接收器、發(fā)送器MOV AL，0FAH ；設(shè)置模式字，異步模式，波特率因子16，用7個數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)，2個停止位OUT 52H，AL MOV AL，37H ；設(shè)置控制字使發(fā)送啟動，接收啟動，并設(shè)置有關(guān)信號OUT 52H，AL同步模式下的初始化程序舉例例子：同步模式字38H，2個同步字符均為16H，內(nèi)同步偶校驗(yàn)7位數(shù)據(jù)位，奇地址52H 控制字為97H，錯誤標(biāo)志清除，收發(fā)啟動，告8251就緒MOV AL，38H；設(shè)置模式字，使8251處于同步模式，2個同步字符7個數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)

23、OUT52H，AL； MOVAL，16H；兩個同步字符均為16HOUT52H，AL；OUT52H，AL；MOVAL ，97H ；設(shè)置控制字，使發(fā)送器接收器啟動，并設(shè)其它有關(guān)信號OUT52H，AL；利用狀態(tài)字進(jìn)行編程的舉例下面的程序段先對8251初始化，然后對狀態(tài)字測試，以便輸入80個字符MOV AL,0FAHOUT 42H,AL；設(shè)置模式字，異步模式，波 特率因子為16，7個數(shù)據(jù) 位，2個停止位，偶校驗(yàn)MOV AL,35HOUT 42H,AL；設(shè)置控制字，并啟動 MOV DI,0 ；變址寄存器初始化 MOV CX,80 ；共收取80個字符BEGIN: IN AL,42H TEST AL,02H JZ BEGIN；讀狀態(tài)字并測試IN AL,40H ；讀取字符MOV DX,OFFSET BUFFERMOV DX+DI,AL ；傳輸字符INC DI ；修改緩沖區(qū)指針I(yè)N AL,42H ；讀取狀態(tài)字TEST AL,38H ；測試有無錯誤JNZ ERROR LOOP BEGIN ；如沒有錯，則接收 下1個字符 JMP EXIT ；如滿8個字符，則結(jié)束ERROR: CALL ERR_OUT；調(diào)用出錯處理程序EXIT: 8.3.7 8251A的使用實(shí)例圖8.18a用8251作為CRT接口的實(shí)際例子第1個程序段8251初始化8251A