第11講 微機(jī)接口技術(shù)(2)-串口8251A

1第9章微機(jī)接口技術(shù)（2）———串行通信接口蘇放frossesu@北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院2一、串行傳送的基本概念3串行通信概述

一、串行通信

串行通信的特點(diǎn)：傳送線省，成本低，傳送時(shí)間長(zhǎng)串行傳送適用于長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)。4

串行通信方式：由于串行通信信息在一個(gè)方向上傳輸只占用一根傳輸線，而這根線上既傳送數(shù)據(jù)，又傳送聯(lián)絡(luò)信號(hào)，為此為區(qū)分這根線傳送的信息流中，哪一部分是聯(lián)絡(luò)信號(hào)，哪一部分是數(shù)據(jù)，就必須引出串行通信的一系列約定。在串行通信中有異步通信和同步通信兩種基本串行通信方式。

5異步通信

異步通信ASYNC(AsynchronoueDataCommunication)以字符為單位進(jìn)行傳輸，即異步傳輸方式，是非同步傳輸方式。其通信協(xié)議是起止式異步通信協(xié)議。異步通信的信息格式由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位與不固定的空閑位五個(gè)部分組成。起始位——每個(gè)字符開始傳送的標(biāo)志，起始位采用邏輯0電平數(shù)據(jù)位——緊跟著起始位傳送。由5～8個(gè)二進(jìn)制位組成，低位先傳送校驗(yàn)位——校驗(yàn)是否傳送正確；可選奇檢驗(yàn)、偶校驗(yàn)或不傳送校驗(yàn)位停止位——表示該字符傳送結(jié)束。停止位采用邏輯1電平，可選擇1、1.5或2位空閑位——傳送字符之間的邏輯1電平，表示沒有進(jìn)行傳送空閑起始位…...5~8數(shù)據(jù)位1/01/01/0011/0校驗(yàn)位停止位11空閑起始位6波特率與發(fā)送/接收時(shí)鐘波特率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制信號(hào)數(shù)16倍波特率收/發(fā)時(shí)鐘的采樣過(guò)程波特率決定數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)鐘：時(shí)鐘頻率＝N×波特率波特率系數(shù)N＝1/16/32/64

7同步通信方式

以一個(gè)固定長(zhǎng)度的字符組成的數(shù)據(jù)塊（幀）為傳輸單位，每個(gè)數(shù)據(jù)塊附加1個(gè)或2個(gè)同步字符，最后以校驗(yàn)字符結(jié)束。同步通信的數(shù)據(jù)傳輸效率和傳輸速率較高，但硬件電路比較復(fù)雜。串行同步通信主要應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。最常使用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC。同步字符較驗(yàn)字符8同步通信傳輸步驟●傳輸開始，接受設(shè)備不停檢測(cè)傳輸線—測(cè)試同步字符是否到來(lái)。●收到同步字符（約定好的）之后，收方開始接受數(shù)據(jù)。●接受：N個(gè)字符數(shù)據(jù)+校驗(yàn)字符?！裉幚恚航M合出N個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，查奇偶無(wú)錯(cuò)，結(jié)束一幀數(shù)據(jù)傳輸。●開始檢測(cè)同步字符，準(zhǔn)備接受下一幀數(shù)據(jù)。注：發(fā)送與接受每位都保持完全一致，由時(shí)鐘信號(hào)統(tǒng)一。9典型代表為IBM的二進(jìn)制同步通信協(xié)議所有信息都是由字符組成，即只傳送字符的ASCII碼。為了區(qū)別數(shù)據(jù)信息和控制信息定義了10個(gè)特殊字符為控制字符。這些字符在ASCII碼中本來(lái)就是控制字符（0列或1列）。但如果數(shù)據(jù)信息的代碼和控制字符相同，兩者就不能區(qū)分。為此引入“轉(zhuǎn)義字符”DEL（編碼為00100000）。當(dāng)數(shù)據(jù)代碼和控制字符相同時(shí)，前面加上轉(zhuǎn)義字符DEL。面向字符的同步協(xié)議10典型代表為同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC靠約定的位組合來(lái)傳輸信息，包括數(shù)據(jù)信息和控制信息。控制信息的位的組合需要專門定義。只有一個(gè)規(guī)定的控制標(biāo)志，即開始和結(jié)束標(biāo)志01111110。沒有定義其他的專用控制字符或控制標(biāo)志。傳輸這只要區(qū)分作為標(biāo)志的01111110和作為數(shù)據(jù)信息的01111110。為此采用對(duì)數(shù)據(jù)信息中出現(xiàn)連續(xù)5個(gè)1就加一個(gè)0的方法來(lái)加以區(qū)別。接收時(shí)再自動(dòng)去處這個(gè)添加的0。面向比特（位）的同步協(xié)議11面向比特（位）的同步協(xié)議地址場(chǎng)規(guī)定與之通信的次站的地址?？刂茍?chǎng)可規(guī)定若干命令。信息場(chǎng)：數(shù)據(jù)。12數(shù)據(jù)傳送的三種模式

1、全雙工模式：數(shù)據(jù)發(fā)送和接受由兩根不同的傳輸線傳送，通信雙方在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送和接受2、半雙工模式數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受由一根傳輸線傳送，通信雙方不能同時(shí)收發(fā)3、單工模式數(shù)據(jù)發(fā)送和接受在單一方向上傳送13串行輸入/輸出的軟件實(shí)現(xiàn)

1、軟件實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)或反之，完全可由CPU通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，外部只要增加簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)換電路即可。

TTYOUT：MOV CL，0BH ；輸出位數(shù)10位

MOV AL，DL ；

OR AL，AL ；CF=0 RCL AL，1 ；CF送D0，起始位MORE：

OUT 02H，AL ；

CALL DELAY ；與波特率相配合

RCR AL，1 ；帶CF右移

STC ；CF=1，停止位

DEC CL JNE MORE RET14信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)15二、串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)16串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)17除了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議外，串行通信時(shí)還要有物理層的協(xié)議，即物理接口標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)定：機(jī)械連接標(biāo)準(zhǔn)電氣特性的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)及其功能定義傳輸過(guò)程的規(guī)定串行接口標(biāo)準(zhǔn)18電氣特性數(shù)據(jù)信號(hào)：邏輯1（傳號(hào)）：-5V~-15V

邏輯0（空號(hào)）：+5V~+15V聯(lián)絡(luò)信號(hào)（RTS、DSR、DTR、DCD等）：信號(hào)有效（ON狀態(tài)）：+5V~+15V

信號(hào)無(wú)效（OFF）：-5V~-15VRS232接口標(biāo)準(zhǔn)19串行口輸出時(shí)要加電平轉(zhuǎn)換：RS232接口標(biāo)準(zhǔn)20機(jī)械特性最大物理距離為15米（50英尺）通信速度低于20Kbit/s可用DB-25連接器或DB-9連接器注：DB-25連接器中實(shí)際也只有9條RS232信號(hào)線，另外還有4條電流環(huán)接口的4個(gè)電流信號(hào)。注：碼元失真<4%（實(shí)際可以允許更大失真，距離可以增大）RS232接口標(biāo)準(zhǔn)21機(jī)械特性:25針和9針連接器RS232接口標(biāo)準(zhǔn)22接口信號(hào)：TxD：發(fā)送數(shù)據(jù)RxD：接收數(shù)據(jù)DSR：數(shù)據(jù)裝置（DCE）準(zhǔn)備好②DTR：數(shù)據(jù)終端（DTE）準(zhǔn)備好①RTS：請(qǐng)求發(fā)送③CTS：允許發(fā)送④DCD：數(shù)據(jù)載波檢出RI：振鈴指示GND：地線RS232接口標(biāo)準(zhǔn)23零MODEM方式的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)連接RS232接口標(biāo)準(zhǔn)24采用MODEM時(shí)的信號(hào)線連接RS232接口標(biāo)準(zhǔn)25三、可編程串行接口芯片8251A26

串行接口原理 以異步收發(fā)器UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）為例。2728

一、組成 由三部分組成： “接收器”—用來(lái)把串行碼轉(zhuǎn)換為并行碼； “發(fā)送器”—用來(lái)把并行碼轉(zhuǎn)換為串行碼； “控制器”—用來(lái)接收CPU的控制信號(hào)，執(zhí)行CPU所要求的操作，并輸出狀態(tài)信息和控制信息。 二、功能

UART的功能是接收異步串行輸入碼并將其轉(zhuǎn)換為CPU所需要的并行碼，并將CPU內(nèi)部的并行碼轉(zhuǎn)換為串行碼輸出。29 UART是用外部時(shí)鐘來(lái)和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步的。外部時(shí)鐘的周期Tc和每個(gè)數(shù)據(jù)位的周期Td有以下關(guān)系：

Tc=Td/K K=16或64（K為波特率因子） 外部時(shí)鐘和接收數(shù)據(jù)的同步如圖所示：3031

為了檢測(cè)長(zhǎng)距離傳送中可能發(fā)生的錯(cuò)誤，通常增加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位。 發(fā)送時(shí)，自動(dòng)在奇偶校驗(yàn)位上添上“1”或“0”； 接收時(shí)，UART檢查字符的每一位以及奇偶校驗(yàn)位的“1”的個(gè)數(shù)，以確定是否發(fā)生傳送錯(cuò)誤。3233UART中還設(shè)立了各種出錯(cuò)標(biāo)志：1.奇偶錯(cuò)誤（Parityerror）：在接收時(shí)。UART檢查接受到的每一個(gè)字符的“1”的個(gè)數(shù)，若不符合要求，則置這個(gè)標(biāo)志，發(fā)出奇偶校驗(yàn)出錯(cuò)信息。2.幀錯(cuò)誤（Frameerror）：若接受的字格式不符合規(guī)定(例如缺少停止位等)，則置位幀出錯(cuò)標(biāo)志，發(fā)出幀錯(cuò)誤信息。

3.溢出（丟失）錯(cuò)誤（Overrunerror）34

可編程通信接口8251A（USART）

Intel8251AUSART是通用同步/異步接收發(fā)送器。

一、8251A的基本性能（1）可用于同步和異步傳送。（2）波特率：DC-19.2K（異步）；DC-64K（同步）。（3）完全雙工、雙緩沖器發(fā)送器接收器。（4）誤差檢測(cè)。358251A的結(jié)構(gòu)圖與引腳圖36

二、8251A的結(jié)構(gòu)與引腳功能 包括8251A同CPU的接口部分—數(shù)據(jù)總線緩沖器和讀寫控制邏輯；發(fā)送器和接收器及其控制電路。 產(chǎn)生RS-232C有關(guān)信號(hào)的MODEM控制電路。

1.同CPU的連接信號(hào) （1）RESET （2）CLK （3）， （4）C/ （5） （6）D0~D737 2.MODEM控制信號(hào) 與MODEM相連的控制信號(hào)：（1）（DataTerminalReady）—數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好（輸出，低電平有效）（2）（DataSetReady）—數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好（輸入，低電平有效）（3）（RequestToSend）—請(qǐng)求發(fā)送（輸出，低電平有效）（4）（ClearToSend）—清除發(fā)送信號(hào)（輸入，低電平有效） 383.發(fā)送器有關(guān)信號(hào)（1）TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)（2）TXRDY：發(fā)送器準(zhǔn)備好信號(hào)（3）TXE：發(fā)送緩沖器（串/并轉(zhuǎn)換器）空標(biāo)志（4）：輸入控制發(fā)送器數(shù)據(jù)速率的時(shí)鐘4.接收器有關(guān)信號(hào)（1）RXD：接收數(shù)據(jù)（2）RXRDY：接收器準(zhǔn)備好標(biāo)志（3）：接收時(shí)鐘（4）SYNDET/BRKDET：同步和間斷檢測(cè)39

三8251A的控制字

1.方式寄存器方式寄存器是8251A在初始化時(shí)，用來(lái)寫入方式選擇字用的。方式選擇有兩種：同步方式和異步方式。方式寄存器有8位，最低2位全為0時(shí)表示是同步方式，最低2位不全為0時(shí)表示是異步方式。具體格式：

1)8251A工作在同步方式下 當(dāng)825lA工作在同步方式下時(shí)，方式寄存器的格式如下圖所示。40圖8251A同步方式下方式寄存器的格式41例如，要求825lA作為外同步通信接口，數(shù)據(jù)位8位，兩個(gè)同步字符，偶校驗(yàn)，其方式選擇字應(yīng)：7CH(01111100B＝7CH)。422)8251A工作在異步方式下當(dāng)8251A工作在異步方式下時(shí)，方式寄存器的格式如下圖所示。圖8251A異步方式下方式寄存器的格式43例如，要求8251A芯片作為異步通信，波特率為64，字符長(zhǎng)度8位，奇校驗(yàn)，2個(gè)停止位的方式選擇字應(yīng)為十六進(jìn)制的DFH(1101111lB＝DFH)。442.控制寄存器對(duì)8251A進(jìn)行初始化時(shí)，按上面的方法寫入了方式選擇字后，接著要寫入的是命令字，由命令字來(lái)規(guī)定8251A的工作狀態(tài)，才能啟動(dòng)串行通信開始工作或置位。45注意：調(diào)制解調(diào)器控制電路的有效電平不是由8251A內(nèi)部產(chǎn)生，而是通過(guò)對(duì)控制字的編程來(lái)設(shè)置，這樣可便于CPU與外設(shè)直接聯(lián)系。46當(dāng)對(duì)8251A初始化時(shí)，使用同一個(gè)奇地址，先寫入方式選擇字，接著寫入同步字符(異步方式時(shí)不寫入同步字符)，最后寫入的才是控制字，這個(gè)順序不能改變，否則將出錯(cuò)。但是，當(dāng)初始化以后，如果再通過(guò)這個(gè)奇地址寫入的字，都將進(jìn)入控制寄存器，因此控制字可以隨時(shí)寫入。如果要重新設(shè)置工作方式，寫入方式選擇字，必須先要將控制寄存器的D6位置1，也就是說(shuō)內(nèi)部復(fù)位的命令字為40H才能使8251A返回到初始化前的狀態(tài)。當(dāng)然，用外部的復(fù)位命令RESET，也可使825lA復(fù)位，而在正常的傳輸過(guò)程中D6=0。473.狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器是反映8251A內(nèi)部工作狀態(tài)的寄存器，只能讀出，不能寫入。CPU可用IN指令來(lái)讀取狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。48

8251A的初始化和操作流程如右圖所示。

8251A在設(shè)置方式指令字后，或在同步方式中又設(shè)置了同步字符后，任何時(shí)候都可以寫入命令指令，命令指令是芯片進(jìn)行操作，或改變操作時(shí)必須寫入的內(nèi)容。而每次寫入命令指令后，8251A都要檢查IR位是否有內(nèi)部復(fù)位，如有復(fù)位，8251A應(yīng)重新設(shè)置方式指令。498251A應(yīng)用舉例用8251A作為串行通信接口，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)微機(jī)之間的串行通信。要求：采用異步方式，字符長(zhǎng)度為7位，采用奇校驗(yàn)，1位停止位。波特率為2400b/s，波特率因子為16。CPU