Transcript 串行通信协议

第六章
串行接口
6.1串行通信的概述
6.2串接口的一般结构
6.3串行接口INTEL8251及应用
6.4IBM PC机的异步串行通信接口
课题11
教学内容
一、串行通信特征
二、串行通信协议
三、波特率和发送接收时钟
四、传输距离
五、 8251A的内部结构和引脚功能
六、 2个端口、2个控制字和1个状态字
七、初始化编程举例
可编程串行通信接口芯片8251A
信息交换就是通信。微机与微机之间、微机与外部设备
之间都存在如何通信的问题。通信方法有并行和串行两种，
如图6-17所示。
¡-
΢» ú
(a)
΢» ú» ò
I/OÉ豸
΢» ú» ò
I/OÉ豸
΢» ú
(b)
图6-17 通信方法
(a) 并行通信；(b) 串行通信
6.1 串行通信特征和传输协议
1．串行通信特征
按数据传送方向划分，串行通信可划分成单工、半双工和
全双工等3种不同的形式，如图6-18所示。
¼×»ú
ÒÒ»ú
(a)
¼×»ú
ÒÒ»ú
(b)
¼×»ú
(c)
图6-18 通信方式
(a) 单工；(b) 半双工；(c) 全双工
ÒÒ»ú
2．串行通信协议
1) 异步通信
异步通信中的1帧是一个由4部分组成的字符数据，
先有一个起始位“0”表示数据开始；随后是5～8位二进
制数表示数据自身，且低位在前，高位在后；接着是可
省略的奇偶校验位1位；最后是一个停止位“1”。图619给出了字符数据的11位帧格式和字符Q的10位帧格式，
图中所画就是字符Q的波形。
´«ËÍ·½Ïò
µÚn¸ö×Ö·û
Êý¾ÝλD
¡«D7
0
УÑéλP
P 1 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1 0 D0
Æðʼλ0
½áÊøλ1
(a)
Æð D D D D D D D ÆæУͣ
ʼ 0 1 2 3 4 5 6
0 1 0 0 0 1 0 1 0 1
(b)
图6-19 异步通信的1帧字符
(a) 11位帧格式；(b) 字符Q的10位帧格式
2) 同步通信
同步通信中的1帧由若干个字符组成。1帧数据格式如
图6-20所示。由于数据块传送时每个字符数据无起始和停
止标志，1帧可以传送多个数据，因此同步通信的速度高于
异步通信，但因需要确定同步字符(使用2个同步字符的称
为双同步，使用一个字符的称为单同步)，相应硬件电路也
复杂一些。
ͬ²½ ͬ²½
×Ö·û1 ×Ö·û2
Êý¾Ý¿é
ָʾÐÅÏ¢± êÌâ
¿éÕýÎÄ ½áÊø
图6-20 同步通信的1帧数据
¿é
У Ñé
3．波特率和发送接收时钟
串行通信数据传输速率指每秒传送的二进制数位数
(bit/s)，又称为波特率，1波特(Baud)＝1位/秒(1 bit/s)。
例如异步传输速率为每秒100字符，每字符由1个起始位、
8位ASCII数据位和一个停止位组成，则传输波特率为
100字符/s×10位/每字符＝1000波特
4．传输距离
串行通信的有效距离(波形不发生畸变)与传输速率和
传输线电气特性有关。传输距离随传输速率的增大而减
小。不同的传输距离，需要不同的传输通道配置。图6-
21画出了3种不同距离时的通道配置。
TXD
TXD
TXD
RXD
RXD
RXD
GND
GND
GND
µçƽ
ת»»
TXD
TXD
RXD
RXD
GND
GND
(a)
GND
RXD
GND
(b)
TXD
RXD
µçƽ
ת»»
TXD
I/O
½Ó¿Ú
µ÷ÖÆ µç»°Ïß µç»°
½âµ÷Æ÷
´«Êä
µç»°Ïß
µ÷ÖÆ
½âµ÷Æ÷
I/O
½Ó¿Ú
TXD
RXD
GND
(c)
图6-21 传输通道配置
(a) 近距离传输；(b) 中距离传输；(c) 远距离传输
5．RS-232C串行通信接口标准
RS-232接口标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL
等公司于1969年一起开发的通信协议，它适合于传输速
率为0～20 000波特的通信范围，使用电缆传输能连接的
最大物理距离为15 m(50英尺)。该标准规定了信号线、连
接器的功能以及电气特性。
1) RS-232C接口信号
EIA RS-232C标准规定了数据终端和通信设备之间的
接口信号。所谓“发送”和“接收”都是从数据终端设
备角度定义的。该标准有25线插件和9线插件两种，如图
5-22所示，实用中以9线插件为多。
Òý½Å
¹¦ÄÜ
񅧏
1
Òý½Å
¹¦ÄÜ
񅧏
±£»¤µØ ÆÁ±Î6 DSR
2
TXD
7
GND
3
RXD
8
DCD
4
RTS
9
5
CTS
10
Ô¤Áô
Ô¤Áô
Òý½Å
¹¦ÄÜ
񅧏
Òý½Å
¹¦ÄÜ
񅧏
Òý½Å
¹¦ÄÜ
񅧏
11 䶨Òå
Òý½Å
¹¦ÄÜ
񅧏
Òý½Å
¹¦ÄÜ
񅧏
16 µÚ¶þ½ÓÊÕÊý¾Ý21 ÐźÅÖÊÁ¿¼ì²â
12 µÚ¶þ½ÓÊÕ¼ì²â 17 ½ÓÊÕÐźŶ¨Ê± 22 RI
1
DCD
6
DSR
2
RXD
7
RTS
13 µÚ¶þÔÊÐí·¢ËÍ 18 䶨Òå
23 Êý¾ÝËÙÂʼì²â
14 µÚ¶þ·¢ËÍÊý¾Ý 19 µÚ¶þÇëÇó·¢ËÍ 24 ·¢ËÍÐźŶ¨Ê±
·¢ËÍÐźŶ¨Ê±
DTR
15
20
25 䶨Òå
3
TXD
8
CTS
4
DTR
9
RI
5
GND
(a)
图6-22 RS-232 C接口
(a) 25线插件；(b) 9线插件
( b)
TXD 2
2
RXD
3
3
RTS
4
4
CTS 5
΢ 5
»ú 6 DSR 6
SG
7
7
DCD
8
8
DTR
20
20
RI
22
22
(a)
M
O
D
E
M µç»°Íø
2
3
4
TXD TXD
RXD RXD
2
3
4
CTS CTS
5
5
DSR
DSR
΢ 6
6 ΢
»ú SG
»ú
7
7
8
8
DTR DTR
20
20
22
2
3
΢
»ú
7
TXD TXD
RXD RXD
SG
2
2
3
5
7
΢
»ú
TXD
RXD
CTS
DTR
΢ 6 DSR
SG
»ú
7
20
DTR
22
(b)
(c)
图6-23 信号线连接
(d)
3
20
I/O
É豸
7
2) 电气特性和电平转换电路
EIA RS-232C对电气特性、逻辑电平作了如下规定：①
在TXD和RXD数据线上有逻辑“1”(MARK)＝－3～－15 V，
逻辑“0”(SPACE)＝＋3～＋15 V；② 在RTS、CTS、DSR、
DTR、DCD控制线上有＋3～＋15 V为信号有效(接通、ON
状态，正电压)，－3～－15 V为信号无效(断开、OFF状态，
负电压)，在－3～＋3 V之间的电压无意义，低于－15 V或
高于＋15 V电压也无意义，实际操作中应保证电平在±(3～
15) V之间。
图6-24画出了MC1488、MC1489的内部结构和引脚，其
中MC1488的2、4、5、9、10、12和13脚接TTL电平输入；3、
6、8、11脚接EIA RS-232C输出。MC1489的1、4、10、13脚
接EIA输入；3、6、8、11脚接TTL输出。图9-25画出了TTL
器件8251与EIA插接件RS-232C之间的连接。前者要求TTL电
平，后者要求EIA电平，RS-232C所有的输入、输出信号分
别经MC1488和MC1489转换后才能进入连接器或从连接器送
进来。MAX232是一种新型的RS-232C转换芯片，用于完成
TTL和RS-232电平的双向转换，仅需＋5 V单一电源和外接5
个电容便能工作，其内部含有电压倍增电路和转换电路，使
用时可连接两对收发线，把通信接口TXD(发送)、RXD(接收)
端的TTL电平0～5 V转换成RS-232C EIA电平(－10～＋10 V)。
1
2
3
4
5
6
7
&
14
13
12
11
10
9
8
&
&
&
MC14 88
1
2
3
4
5
6
7
1
1
1
1
MC14 89
图6-24 电平转换器
14
13
12
11
10
9
8
TXD
RTS
DTR
8 25 1 SG
RXD
DC D
CTS
DSR
£ «5 V
2
MC
4, 5
1 48 8
9, 10
3
6
8
3
MC
6
1 48 9
8
11
2 ,5 ,9,12
1
4
10
13
图6-25 转换连接图
2
4
20
7
RS-2 32
3 2 5Ïß
8
5
6
6.2 8251A的内部结构和引脚功能
8251A是一种可用于异步或同步串行通信的可编程接
口芯片，适合于异步或同步传递。
1．8251A的内部结构及工作过程
8251A的结构和引脚分别如图6-26和图6-27所示，内部
由5个主要部分组成：接收器、发送器、调制控制、读写控
制以及系统数据总线缓冲器。各部分由内部总线实现相互
之间联系和通信。
D0¡«D7
CLK
C/ D
RESET
CS
RD
WR
DTR
DSR
RTS
CTS
Êý¾Ý×ÜÏß
» º³åÆ÷
¶Á/д
ÄÚ²¿Êý¾Ý×ÜÏß
·¢ËÍ»º³å
¼°
¿ØÖÆ
TXD
TXRDY
TXE
TXC
¿ØÖÆÂß ¼½ÓÊÕ»º³å
¼°
¿ØÖÆ
µ÷ÖÆ¿ØÖÆ
图6-26 8251A的内部结构
RXD
RXRDY
SYNDET
RXC
D2 1
D3 2
R XD 3
GND 4
D4 5
D5 6
D6 7 8 25 1
D7 8
TXC 9
WR 10
CS 1 1
C/D 1 2
RD 1 3
RXRDY 1 4
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
D0
D1
VCC
RXC
DTR
RTS
DSR
RESET
CLK
TXD
TXE
CTS
SYNDET/BD
TXRDY
图6-27 8251A的引脚
表6-5 8251A读写控制功能表
TP86 口地址
PC 扩展板
CPU 从 8251A 读数据
FFF0H
308H
1
CPU 从 8251A 读状态
FFF2H
309H
1
0
CPU 写数据到 8251A
FFF0H
308H
1
1
0
CPU 写命令到 8251A
FFF2H
309H
×
×
×
8251A 总线浮空(无操作)
－
－
CS
C/D
RD
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
WR
功
能
2．引脚
CS：片选信号。低电平有效，常接地址译码器的一根输出
线。
C/D：控制/数据线。常接CPU的一根地址线，例如A1或A0。
和C/的接法决定了8251A有两个端口以及两个端口地址。
D0～D7：双向三态数据线。与CPU的D0～D7相连。
RD(Read)：读数据信号。低电平有效，输入。当CPU要从
8251A读取数据或状态字时产生此信号并送达8251A。
WR(Write)：写数据信号。低电平有效，输入。当CPU要
向8251A写入数据或控制字时产生此信号并送达8251A。8251A
的读写时序是：首先，CS、C/D有效以选中8251A芯片和相应的
端口；然后，CPU发出RD、WR(读、写)控制命令。
TXRDY(Transmitter Ready)：发送器准备好信号。用于收发
联络，高电平有效。有效时表明发送器已准备好，能够接收
CPU送来的数据字符。当CPU已向8251A送来一个数据后，
TXRDY自动为零。当CTS＝0，TXE＝1时允许8251A发送数据。
该信号在查询方式工作中是一个状态信号，CPU通过状态寄存
器的D0能检测到；该信号在中断方式中是中断申请信号。
TXE(Transmitter Empty)：发送器空信号。高电平有效
时表示发送操作已结束，说明发送器中的数据已发送出去。
RXRDY(Receiver Ready)：接收器准备好信号。高电平
有效时表示8251A已经从它的串行输入端接收了一个字符，
并且已完成格式变换，等CPU来取。当CPU从8251A读了一
个数据后，该信号自动复位。该信号在查询方式中作联络
信号用；在中断方式中作中断申请信号用。
SYNDET(Synchronous Detection)/BD(Break Detection)：
同步检测/间断检测。
RESET：复位信号。接CPU复位线，要求复位高电平
持续6个时钟周期以上。
DTR：数据终端准备好信号，输出。可用工作命令字
的D1置1使DTR＝0有效。
RTS：请求发送信号，输出。由8251A送至MODEM，
表示要求发送。可用工作命令字的D5置1使RTS＝0有效。
DSR：数据装置准备好信号，输入。表示调制器已准
备好，用状态寄存器D7位检测。
CTS：允许传送信号，输入。是MODEM对8251A的
RTS信号的响应。
TXD：发送器发送数据线。
RXD：接收器接收数据线。
TXC(Transmitter Clock)：发送器输入时钟。用于控制8251A
发送字符的速度。同步方式下，TXC的频率与数据位速率相同。
异步方式下，TXC的频率既可以等于波特率，也可以是波特率
的16倍或64倍。
RXC(Receiver Clock)：接收器输入时钟。频率约定与TXC
相同。实际应用中，把TXC和RXC连接一起，使用波特率发生
器作同一个时钟源。
CLK：输入时钟线。为内部电路提供定时。同步方式下，
CLK的频率要大于接收器或发送器输入时钟频率的30倍；异步
方式下，CLK的频率要大于接收器或发送器输入时钟频率的
4.5倍。CLK的周期要在0.42～1.35 μs范围内。
VCC：电源，＋5 V。
GND：接地。
6.3 2个端口、2个控制字和1个状态字
1．8251A的2个端口及端口地址
C/D为低电平时选中的是数据口，C/D为高电平时选中的
是控制/状态口。
【例6-4】 8251A的端口地址为308H、309H。设控制字为
40H，已放在AL中。状态字为56H，执行下列程序段后，AL
＝？
MOV
DX ，0309H
；置地址指针，309H 为控制/状态端口
OUT
DX ，AL
；从控制口写入控制字，AL＝40H 不变
IN
AL ，DX
；从状态口读取状态字，执行结果为 AL＝56H
2．8251A、CPU、外设之间的连接
8251A、CPU、外设(MODEM)之间的典型连接如图6-28所
示。8251A与CPU之间并行传送数据；8251A与MODEM之间串
行传送数据。
M/ IO
AB
ÒëÂë
DTR
CS
ÍâÉè
DSR
A0
DB
C/D
RTS
D0¡«D7
CTS
MODEM
RD
RD
TXD
´®Èë
WR
WR
RXD
´®³ö
RESET
TXRDY
TXC
TXE
RXC
RXRDY
8 08 6C PU
SYNDET
8 25 1A
¶¨Ê±/¼ÆÊýÆ÷
CLK
图6-28 8086、8251A和外设连接
3．2个控制字
1) 工作方式字
工作方式字能让8251A选择异步方式还是同步方式工作，
并可按其工作方式指定帧数据格式。该字8位二进制数被分为
四组，每组两位，格式如下：
D7
D6
停止位
(同步)
D5
D4
奇偶校验位
D3
D2
数据位数
(异步)
×0＝无校验
D1
D0
波特率系数位
(异步)
(同步)
00＝5 位
00＝不用
00＝同步
01＝6 位
01＝×1
01＝—
×0＝内检测
00＝不用
×1＝外检测
01＝1 位
0×＝双同步字符
10＝1.5 位
01＝奇校验
10＝7 位
10＝×16
10＝—
1×＝单同步字符
11＝2 位
11＝偶校验
11＝8 位
11＝×64
11＝—
2) 工作命令字
工作命令字的格式如下：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
EH
IR
RTS
ER
SBRK
RXE
DTR
TXEN
错误标志
发送中止
进入搜索
方式
内部复位
发送请求
复位
字符
数据中断
接收允许
准备好
发送允许
3) 工作方式和工作命令字的写入
工作方式字只能写入1个，工作命令字可写入多个，写入
顺序如图6-29所示。
¸´Î» (ʹÓÃR ESET »ò ¿ØÖÆ×ÖD
6£ ½1 )
Òì²½·½Ê½×Ö
¸´Î»
µ¥Í¬²½·½Ê½×Ö Ë«Í¬²½·½Ê½×Ö
ËÍͬ²½×Ö·û
ËÍͬ²½×Ö·û1
¹¤×÷·½Ê½×Ö
ËÍͬ²½×Ö·û2
дÈëÃü Áî×Ö1
D6¡Ù1
дÈëÃü Áî×Ö2
D6¡Ù1
¹¤×÷Ãü Áî×Ö
дÈëÃü Áî×Ö
D6£ ½1
¸´Î»
图6-29 从控制/状态口写入工作方式字和工作命令字
4．1个状态字
状态字是8251A能否进行发送或接收的状态，它位于状态
寄存器中。格式如下：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
DSR
SYNDET
FE
OE
PE
TXE
RXRDY
TXRDY
数据装置准备好
同步检测
格式错 溢出错 奇偶错
发送器空
接收准备好 发送准备好
6.4 初始化编程举例
【例5-5】 甲乙两台微机进行串行通信，设甲机发送，乙
机接收。要求把甲机上的100个数据传送到乙机，采用异步方
式，波特率为2400 Baud，字符长度8位，停止位2位，波特率
因子16，无校验。CPU与8251A之间用查询方式交换数据。
端口地址为308H、309H。
解 近距离传送直接相连，不用MODEM。两台微机之间
使用TXD、RXD和SG三根线连接。8251A作为接口的主芯片，
与波特率发生器、RS-232C、TTL电平转换电路、地址译码电
路等就构成一个串行通信接口，如图5-30所示。接收和发送
程序采用查询I/O方式，各自编写，包括8251A初始化、检查
状态字的D5～D3位确定是否有错、检查发送D0/接收D2的状态
是否为1，为1时表示准备好，允许发送/接收1个字节。
TXD
RXD
CPU
TTL
EIA
µçƽת»»
EIA
TXD
µçƽת»»
RXD
TTL
SG
SG
TXC
RXC
²¨ÌØÂÊ
·¢ÉúÆ÷
²¨ÌØÂÊ
·¢ÉúÆ÷
图6-30 双机串行通信
TXC
RXC
CPU
SENDSEG SEGMENT
ASSUME
CS：SENDSEG ，DS：DATA
START： MOV
AX
，DATA
；
MOV
DS
，AX
；设置数据段
MOV
DX
，309H
MOV
AL
，0CEH
；送工作方式字
OUT
DX
，AL
；
MOV
AL
，37H
；送工作命令字
OUT
DX
，AL
；
MOV
CX
，64H
；传送字节数
LOP：
HALT：
MOV
SI
，6000H
；发送区首址偏移量
MOV
DX
，309H
；控制/状态口
IN
AL
，DX
；读状态字
TEST
AL
，38H
；查 D5～D3 中有无 1？
JNZ
HALT
TEST
AL
JZ
LOP
MOV
DX
，308H
；D0＝1，发送准备好，置数据口
MOV
AL
，[SI]
；从发送区取 1 字节发送
OUT
DX
，AL
；
INC
SI
；修改发送区地址指针
DEC
CX
；传送字节数减 1
JNZ
LOP
；未发送完，继续
MOV
AH
INT
21H
SENDSEG ENDS
END
START
；D5～D3 中有 1，有错误，转 HALT
，01H
；无错误，查状态位 D0＝1？
；D0＝0，发送未准备好，等待
，4CH
；发送出错或已送完，返回 DOS
接收程序段如下:
RECESEG SEGMENT
ASSUME CS：RECESEG ，DS：SDATA
BEGIN： MOV
AX
，SDATA
；
MOV
DS
，AX
；设置数据段
MOV
DX
，309H
MOV
AL
，0CEH
；送工作方式字
OUT
DX
，AL
；
MOV
AL
，14H
；送工作命令字
OUT
DX
，AL
；
MOV
CX
，64H
；传送字节数
LOP2：
MOV
DI
，7000H
；接收区首址偏移量
MOV
DX
，309H
；控制/状态口
IN
AL
，DX
；读状态字
TEST
AL
，38H
；查 D5～D3 中有无 1？
JNZ
RHALT
AND
AL
JZ
LOP2
MOV
DX
，308H
；D1＝1，接收准备好，置数据口
IN
AL
，DX
；接收 1 字节
MOV
[DI]
，AL
；存入接收数据区
INC
DI
；修改接收区地址指针
LOOP
LOP2
；未接收完，继续
RHALT： MOV
INT
SCEG
AH
21H
ENDS
END
BEGIN
；D5～D3 中有 1，有错误，转 HALT
，02H
；无错误，查状态位 D1＝1？
；D1＝0，接收未准备好，等待
，4CH
；接收出错或已接收完，返回 DOS
小结
一、串行通信特征
二、串行通信协议
三、波特率和发送接收时钟
四、传输距离
五、 8251A的内部结构和引脚功能
六、 2个端口、2个控制字和1个状态字
七、初始化编程举例
作业
6.1
6.8
6.19