串行通信接口

串行通信接口第一頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.1串行通信與接口

7.1.1串行通信1.并行傳輸與串行傳輸并行傳輸數(shù)據(jù)代碼的每一位各占一條傳輸線(xiàn)，在兩個(gè)數(shù)據(jù)部件之間一次并行傳輸n位數(shù)據(jù)。

并行傳輸適合在一米或數(shù)米范圍內(nèi)的近距離高速傳輸。計(jì)算機(jī)內(nèi)CPU與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸是并行傳輸?shù)牡湫屠樱⑿械奈粩?shù)有8位、16位、32位、64位甚至更多。串行傳輸

數(shù)據(jù)代碼的所有位順序串行排列成數(shù)據(jù)流，在一條線(xiàn)纜上逐位傳輸。

串行傳輸速度通常低于并行傳輸，但節(jié)省硬件（線(xiàn)纜），適宜遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，通信網(wǎng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器與站點(diǎn)之間、各個(gè)站點(diǎn)之間都以串行方式傳輸數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)的某些部件之間，如鍵盤(pán)到主機(jī)鍵盤(pán)接口電路的按鍵掃描碼傳送、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器與磁盤(pán)適配器（控制器）之間的數(shù)據(jù)傳輸都以串行方式進(jìn)行。南橋芯片ICH5（2003年）支持的硬盤(pán)外部數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范SATA(SerialATA)、廣泛應(yīng)用的USB接口是高速串行傳輸?shù)牡浞?，串行傳輸在?jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。

并行與串行的數(shù)據(jù)傳輸如下圖所示。

第二頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?/p>

數(shù)據(jù)傳輸必須同步，以解決接收方在接收到的源源不斷的數(shù)據(jù)流中如何正確區(qū)分發(fā)送方發(fā)送來(lái)的每一個(gè)代碼，正確完成傳輸任務(wù)。并行傳輸因其距離進(jìn)，收發(fā)雙方可用同一頻率時(shí)鐘進(jìn)行發(fā)送和接收，或增加一根或幾根狀態(tài)控制線(xiàn)（稱(chēng)握手信號(hào)線(xiàn)）進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，協(xié)調(diào)收發(fā)雙方，保證數(shù)據(jù)代碼正確傳輸。在計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備內(nèi)部，不少部件之間都設(shè)有專(zhuān)門(mén)的握手信號(hào)線(xiàn)。

在串行通信中，一般不設(shè)握手信號(hào)線(xiàn)，因此，必須在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼中解決同步問(wèn)題。為了正確識(shí)別代碼和恢復(fù)報(bào)文，收發(fā)雙方必須區(qū)分出：◆每個(gè)比特，即每個(gè)二進(jìn)位；◆每個(gè)代碼（如ASCII字符），即區(qū)分出每個(gè)代碼的

起始位和結(jié)束位；◆完整的報(bào)文數(shù)據(jù)塊，即數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始和結(jié)束。上述三個(gè)問(wèn)題分別是位同步、字符同步和幀同步。

數(shù)據(jù)串行傳輸有異步傳輸和同步傳輸之分。

采用異步傳輸方式，發(fā)送和接收設(shè)備的時(shí)鐘是異步的；

采用同步傳輸方式，收發(fā)的時(shí)鐘是同步的。同步傳輸具有較高的傳輸效率和速率。

第三頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑ɡm(xù)）

異步傳輸異步傳輸每個(gè)字符前后分別加上起始位和停止位，表示一個(gè)字符的開(kāi)始和結(jié)束，實(shí)現(xiàn)字符同步。起始位為“0”，長(zhǎng)度為一個(gè)二進(jìn)數(shù)據(jù)位(bit)的持續(xù)時(shí)間；停止位為“1”，長(zhǎng)度為1、1.5或2個(gè)二進(jìn)數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間；字符的數(shù)據(jù)位可為5、6、7或8位；數(shù)據(jù)位后停止位前可以設(shè)置一位奇偶校驗(yàn)位，也可沒(méi)有校驗(yàn)位。異步傳輸如下圖所示。

傳輸時(shí)每一位寬度（占用的時(shí)間長(zhǎng)度）由收發(fā)雙方編程約定，保持不變，從而實(shí)現(xiàn)字符內(nèi)的位同步。每位傳輸時(shí)間的倒數(shù)稱(chēng)波特率。字符之間的間距（時(shí)間間隔）是任意的，所以傳輸一幀的時(shí)間是不定的，靠傳送特殊字符來(lái)表示一幀的開(kāi)始和結(jié)束，實(shí)現(xiàn)幀同步。異步傳輸收發(fā)之間無(wú)須傳送定時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是每個(gè)字符都要加上起始位和停止位，傳輸效率低；而且收發(fā)雙方時(shí)鐘未嚴(yán)格同步，故通信時(shí)鐘頻率不能過(guò)高（否則一個(gè)字符傳輸時(shí)間內(nèi)，收發(fā)時(shí)鐘差異積累若達(dá)半個(gè)數(shù)據(jù)位寬就將使傳輸?shù)淖址鲥e(cuò)），因而速度低，常用于低速數(shù)據(jù)傳輸。

第四頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑ɡm(xù)）同步傳輸同步傳輸時(shí)收發(fā)雙方的時(shí)鐘完全相同，時(shí)鐘與傳輸?shù)拿恳晃粐?yán)格對(duì)應(yīng)，保持位同步；字符間順序相連，沒(méi)有間隙也沒(méi)有插入位，在位同步的基礎(chǔ)上靠完全相同的收發(fā)時(shí)鐘和收發(fā)順序來(lái)達(dá)到字符同步；在一幀字符前后有幀同步字符（或外加同步脈沖）和幀終止字符，實(shí)現(xiàn)幀同步；幀與幀之間是空白字符。同步傳輸如下圖所示。要做到收發(fā)時(shí)鐘完全相同，近距離傳輸時(shí)可加一條時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)，用同一時(shí)鐘發(fā)生器驅(qū)動(dòng)發(fā)送和接收設(shè)備；遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)可通過(guò)編碼技術(shù)（如曼徹斯特編碼等）將發(fā)送時(shí)鐘信息附加到數(shù)據(jù)流中，用一條信號(hào)線(xiàn)傳輸之，接收端用鎖相技術(shù)從數(shù)據(jù)流中提取時(shí)鐘信號(hào)，得到同發(fā)送端在頻率和相位上完全相同的接收時(shí)鐘。同步傳輸較為復(fù)雜，但節(jié)省傳輸時(shí)間，具有較高的傳輸速率和效率。

第五頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日3.傳輸速率

傳輸速率指單位時(shí)間內(nèi)傳送的信息量。一般用每秒鐘傳送的二進(jìn)位數(shù)(比特?cái)?shù))即比特率bps(bitspersecond)來(lái)衡量。數(shù)據(jù)傳輸速率反映了主機(jī)通信端口與終端設(shè)備之間、終端設(shè)備相互之間的信息傳輸能力，通常指發(fā)送端和接收端之間在一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄忍財(cái)?shù)，單位為bps(位/秒)、Kbps(千位/秒)、Mbps(兆位/秒)。在同步通信中，每個(gè)發(fā)/收時(shí)鐘內(nèi)發(fā)送/接受一個(gè)比特，因此比特率與通信時(shí)鐘頻率相同。信息傳輸速率與傳輸過(guò)程中的同步方式、差錯(cuò)編碼及冗余字符填充、通信控制規(guī)程等諸種因素有關(guān)。當(dāng)進(jìn)行串行異步通信時(shí)，通常用n個(gè)時(shí)鐘周期寬度來(lái)表示一個(gè)二進(jìn)位數(shù)據(jù)(n常為16或64)，為避免混淆，這時(shí)常用另一個(gè)速率測(cè)量單位——波特率(baudrate)，它指每秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)。采用串行同步通信，每個(gè)時(shí)鐘發(fā)送(或接收)一個(gè)二進(jìn)位，因此如果忽略同步字符等附加位，波特率就等于比特率；而采用串行異步通信，波特率等于時(shí)鐘頻率除以n。接收／發(fā)送時(shí)鐘頻率與波特率的關(guān)系如下： 收／發(fā)時(shí)鐘頻率＝n×收／發(fā)波特率其中n＝1，16，(32)，64同步傳送必須n＝1；異步傳送常選n＝16，也可選n＝1或64，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值(32)盡量不選，因?yàn)樵S多通信電路不支持它。

第六頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日3.傳輸速率

異步傳輸，收、發(fā)端使用獨(dú)立的時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率須相同，其誤差容限在4.5％以?xún)?nèi)，大多數(shù)接收端時(shí)鐘比發(fā)發(fā)端時(shí)鐘頻率略快。異步傳輸常采用16個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位，即數(shù)據(jù)位寬Td≈16×Tc，Tc是時(shí)鐘周期。接收器在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿對(duì)傳輸線(xiàn)上的信號(hào)電平采樣，檢測(cè)到低電平后再延續(xù)8個(gè)時(shí)鐘周期，仍在上升沿采樣、監(jiān)測(cè)傳輸線(xiàn)是否仍為低電平，若不是低電平則判為假起始位(傳輸線(xiàn)上噪音干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作)，刪除之；若仍是低電平則判為真起始位(已定位在16個(gè)時(shí)鐘周期構(gòu)成的起始位的中間點(diǎn))，以此為時(shí)間基準(zhǔn)，每隔16個(gè)時(shí)鐘周期Tc對(duì)傳輸線(xiàn)上送來(lái)的數(shù)據(jù)位采樣，如右圖所示。在時(shí)間上每一個(gè)采樣點(diǎn)都接近每一位位寬的中心點(diǎn)，避免了干擾，有效地實(shí)現(xiàn)了收發(fā)同步。

第七頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日

4.通信工作方式

按在不同方向上數(shù)據(jù)傳輸能力，傳輸線(xiàn)路有三種基本工作方式。

單工通信兩通信終端只能由一方將數(shù)據(jù)傳輸給另一方，即一方僅可作為發(fā)送端，另一方只能為接受端。半雙工通信兩通信終端都可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，但任何一方都不能在同一時(shí)間內(nèi)又發(fā)又收，在同一時(shí)間內(nèi)只能由一方發(fā)另一方收。 某些領(lǐng)域內(nèi)將單工通信稱(chēng)為單向通信，而將半雙工通信稱(chēng)為單工通信。全雙工通信兩通信終端都可以同時(shí)在兩個(gè)方向上進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。 一般情況下，一條物理鏈路只能進(jìn)行單工或半雙工數(shù)據(jù)通信，而全雙工信道需要兩條傳輸鏈路。一條傳輸鏈路通常由兩條傳輸線(xiàn)組成，稱(chēng)為二線(xiàn)制線(xiàn)路。

第八頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日5.校驗(yàn)方式

數(shù)據(jù)代碼在存儲(chǔ)、傳輸和處理過(guò)程中，由于干擾或衰減會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)差錯(cuò)。若不能及時(shí)識(shí)別、糾正這種差錯(cuò)，將產(chǎn)生無(wú)法預(yù)料的后果。適當(dāng)增加代碼長(zhǎng)度，按一定算法進(jìn)行變換，形成含一定冗余度的校驗(yàn)碼，可在一定范圍內(nèi)對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)甚至糾正。

一般情況下，數(shù)據(jù)冗余度越大，校驗(yàn)碼的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)能力越強(qiáng)。但冗余度越大，占據(jù)的存儲(chǔ)空間越多，傳輸和處理的時(shí)間越長(zhǎng)，使系統(tǒng)效率降低。校驗(yàn)碼一般可分為兩種：檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。檢錯(cuò)碼可以發(fā)現(xiàn)某些錯(cuò)誤而不能糾正錯(cuò)誤；糾錯(cuò)碼不僅能發(fā)現(xiàn)某些錯(cuò)誤，還能在一定程度上予以糾正。產(chǎn)生校驗(yàn)碼的方法很多，如奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)、恒比碼、群計(jì)數(shù)碼、海明碼等等，前兩種校驗(yàn)碼在計(jì)算機(jī)中有廣泛的應(yīng)用。

(1)奇偶校驗(yàn)(ParityCheck)奇偶校驗(yàn)碼最簡(jiǎn)單，無(wú)糾錯(cuò)能力。編碼規(guī)則是先將數(shù)據(jù)代碼分組（如一個(gè)ASCII字符為一組），在各組數(shù)據(jù)后加一位校驗(yàn)位，使包括校驗(yàn)碼在內(nèi)的數(shù)據(jù)代碼中“1”的個(gè)數(shù)恒為偶數(shù)個(gè)（偶檢驗(yàn)）或奇數(shù)個(gè)（奇校驗(yàn)）。設(shè)b0～bm-1是同一組內(nèi)m位數(shù)據(jù)，bm是附加的校驗(yàn)位，則偶校驗(yàn)：bm=b0⊕b1⊕…⊕bm-1奇校驗(yàn)：bm=b0⊕b1⊕…⊕bm-1⊕1

進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，必定：偶校驗(yàn)

b0⊕b1⊕…⊕bm-1⊕bm≡0（有偶數(shù)個(gè)“1”）

奇校驗(yàn)

b0⊕b1⊕…⊕bm-1⊕bm≡1（有奇數(shù)個(gè)“1”） 否則出錯(cuò)。第九頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日5.校驗(yàn)方式（續(xù)）奇偶校驗(yàn)碼只能檢出數(shù)據(jù)代碼中奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤必定漏檢。理論計(jì)算和統(tǒng)計(jì)結(jié)果都表明：奇偶校驗(yàn)?zāi)懿槌鼋^大多數(shù)隨機(jī)錯(cuò)誤，漏檢率為3.5×10-4，但對(duì)諸如通信系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的突發(fā)性錯(cuò)誤，漏檢率接近1/2。根據(jù)數(shù)據(jù)代碼的分組方法，奇偶校驗(yàn)可分為垂直奇偶校驗(yàn)、水平奇偶校驗(yàn)和縱橫奇偶校驗(yàn)，水平奇偶校驗(yàn)相對(duì)比垂直奇偶校驗(yàn)復(fù)雜；縱橫奇偶校驗(yàn)又稱(chēng)垂直水平奇偶校驗(yàn)，查錯(cuò)能力最強(qiáng)，能查出垂直和水平方向上的奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，還能查出不大于代碼長(zhǎng)度的突發(fā)錯(cuò)誤，它產(chǎn)生校驗(yàn)碼和校驗(yàn)邏輯更為復(fù)雜。(2)循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC(CyclicRedundancyCheck)CRC性能優(yōu)秀，但其編碼、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的算法復(fù)雜。隨著VLSI的發(fā)展，CRC的復(fù)雜算法都已由硬件電路實(shí)現(xiàn)，速度遠(yuǎn)高于軟件計(jì)算；因此，CRC廣泛用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。CRC碼又稱(chēng)(n,k)循環(huán)碼，此編碼共n位，前k位為數(shù)據(jù)位，后(n-k)=r位為冗余位，冗余位是原數(shù)據(jù)代碼模2除某個(gè)r位二進(jìn)制數(shù)得到的余數(shù)。對(duì)(n,k)循環(huán)碼，有且只有一個(gè)r位二進(jìn)制數(shù)g，滿(mǎn)足：◆

(n,k)循環(huán)碼中任一合法碼字都是g的整數(shù)倍，即任一合法碼字模2除g的余數(shù)都為0；◆任一非法的(n,k)循環(huán)碼碼字模2除g的余數(shù)都不為0；◆合法的(n,k)循環(huán)碼右移一位后仍為合法的循環(huán)碼。g所對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式稱(chēng)為生成多項(xiàng)式g(x)，即把碼字中碼元當(dāng)作多項(xiàng)式的系數(shù)（取值為0或1），碼元所處的位置（從右向左數(shù)）作為對(duì)應(yīng)項(xiàng)的冪。第十頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日5.校驗(yàn)方式（續(xù)）CRC校驗(yàn)過(guò)程為：將發(fā)送幀看成是一長(zhǎng)串的二進(jìn)制位流，在發(fā)送的同時(shí)連續(xù)模2除一個(gè)二進(jìn)制數(shù)（即生成多項(xiàng)式），數(shù)據(jù)位發(fā)送完畢再接著發(fā)送模2相除所得到的余數(shù)；接收方將接收到的二進(jìn)制位流（包括余數(shù)）模2相除同一個(gè)生成多項(xiàng)式，若能除盡則認(rèn)為傳輸無(wú)誤，若除不盡肯定出錯(cuò)。模2加減即按位加減，不考慮進(jìn)位和借位；模2乘除是在模2加減基礎(chǔ)上進(jìn)行乘除運(yùn)算。CRC校驗(yàn)廣泛用于高速同步通信。常用的生成多項(xiàng)式有CRC-12x12+x11+x3+x2+1美國(guó)二進(jìn)制同步系統(tǒng)（如磁盤(pán)控制器）中采用，CRC-16x16+x15+x2+1（同上）CCITTx16+x12+x5+1SDLC/HDLC通信規(guī)程中多采用CRC-32x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中采用CRC碼查錯(cuò)功能較強(qiáng)，能查出：◆

全部奇數(shù)個(gè)錯(cuò)；◆

全部雙錯(cuò)；全部不多于冗余位r=(n-k)的突發(fā)性錯(cuò)誤；◆

對(duì)(n-k+1)位突發(fā)錯(cuò)，檢出率為1-2-(r-1); ◆對(duì)大于(n-k+1)位突發(fā)錯(cuò)，檢出率為1-2-r。第十一頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日5.校驗(yàn)方式（續(xù)）(3)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量 數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量常用誤碼率來(lái)衡量，誤碼率是個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值：誤碼率=接收方出現(xiàn)差錯(cuò)的比特?cái)?shù)/總的傳輸比特?cái)?shù)×100%差錯(cuò)有獨(dú)立型差錯(cuò)和突發(fā)型差錯(cuò)，前者碼元間差錯(cuò)不存在關(guān)聯(lián)，后者多是由于外界強(qiáng)干擾引起的突發(fā)或成片差錯(cuò)。獨(dú)立型差錯(cuò)又稱(chēng)隨機(jī)差錯(cuò)，可通過(guò)改進(jìn)傳輸設(shè)備和傳輸線(xiàn)路加以改善；突發(fā)型差錯(cuò)嚴(yán)重而通過(guò)檢錯(cuò)糾錯(cuò)編碼仍無(wú)法糾正的，接收方只有要求對(duì)方重發(fā)。

6.調(diào)制-解調(diào)與多路復(fù)用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)都是脈沖信號(hào)，其頻譜很寬，從直流到很高頻率；計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸大多借用現(xiàn)成的公用通信網(wǎng)。而公用通信網(wǎng)對(duì)用戶(hù)端開(kāi)通的通信信道帶寬是有限的，如電話(huà)網(wǎng)為300Hz～3400Hz。因此，對(duì)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端要將數(shù)字信號(hào)經(jīng)調(diào)制器調(diào)制成適合在通信信道上傳輸?shù)哪M信號(hào)，到達(dá)接收端后用相應(yīng)的解調(diào)器將模擬信號(hào)還原成原先的數(shù)字信號(hào)。對(duì)于需要收發(fā)的通信終端，將調(diào)制和解調(diào)兩種設(shè)備做在一起，這就是調(diào)制解調(diào)器Modem(Modulator-Demodulator)。

第十二頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日6.調(diào)制-解調(diào)與多路復(fù)用（續(xù)）調(diào)制信號(hào)的方法很多，常見(jiàn)的有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相三種信號(hào)變換，分別稱(chēng)為ASK（幅度鍵控）、FSK（移頻鍵控）、PSK（移相鍵控），如下圖所示。

對(duì)二進(jìn)制數(shù)值“0”和“1”，ASK用正弦波的兩個(gè)不同振幅值表示，F(xiàn)SK用兩個(gè)不同頻率表示，PSK用一定頻率正弦波的兩個(gè)不同相位表示。

對(duì)移相調(diào)制PSK有二相調(diào)制：移相0°表示0，移相180°表示1；四相調(diào)制：相位角變化0°、90°、180°、270°分別表示二位二進(jìn)制數(shù)00、01、10、11；八相調(diào)制：相位角變化0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°分別表示三位二進(jìn)制數(shù)000、001、010、011、100、101、110、111。

在高速調(diào)制解調(diào)器中，除移相調(diào)制PSK外，還常有相位幅度調(diào)制PAM，用相位和幅度不同狀態(tài)的組合來(lái)表示數(shù)位二進(jìn)制數(shù)。

第十三頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日6.調(diào)制-解調(diào)與多路復(fù)用（續(xù)）在長(zhǎng)途通信中常用光纖、衛(wèi)星、地面微波、同軸電纜等傳輸信號(hào)，它們?nèi)萘扛摺㈩l帶寬，為了充分、高效、合理利用通信資源，一般采用多路復(fù)用技術(shù)，讓多路數(shù)據(jù)信號(hào)共同使用一條線(xiàn)路進(jìn)行傳輸：發(fā)送端將來(lái)自多條輸入線(xiàn)的多路數(shù)據(jù)信號(hào)組合、調(diào)制成復(fù)用數(shù)據(jù)信號(hào)送上高容量的數(shù)據(jù)鏈路，接收端用多路分配器接收復(fù)用數(shù)據(jù)信號(hào)，依照信道分離（分配）、還原為多路數(shù)據(jù)，將其送到相應(yīng)的輸出線(xiàn)上。多路復(fù)用技術(shù)逐步發(fā)展，從最初的由多條電線(xiàn)組成一根電纜的空分多路復(fù)用SDM(SpaceDivisionMultiplex)、到模擬通信中的頻分多路復(fù)用FDM(FrequencyDivisionMultiplex)、到數(shù)字信號(hào)傳送的時(shí)分多路復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplex)和統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用SDTM(StatisticalTDM，又稱(chēng)異步TDM或智能TDM)，而現(xiàn)代廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信的是碼分多路復(fù)用CDMA(CodeDivisionMultiplexAddress，又稱(chēng)碼分多址)，隨著光纖通信的發(fā)展又出現(xiàn)了波分多路復(fù)用WDM(WavelengthDivisionMultiplex)和光頻分多路復(fù)用OFDM(OpticalFrequencyDivisionMultiplex)，本質(zhì)上WDM和OFDM屬于頻分多路復(fù)用FDM。

第十四頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.1.2串行接口

1.串行接口標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)的發(fā)送者和接收者分別稱(chēng)為數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿，統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)據(jù)終端設(shè)備，即DTE(DataTerminalEquipment)。DTE之間的通路稱(chēng)為數(shù)據(jù)電路。數(shù)據(jù)信號(hào)必須經(jīng)信號(hào)變換設(shè)備變換后才能送上（通信網(wǎng)的）傳輸信道進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)男盘?hào)也必須經(jīng)反變換后才能為DTE所接收。信號(hào)變換設(shè)備位于數(shù)據(jù)電路的終端，稱(chēng)為數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備，即DCE(DataCircuitingEquipment)。在簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)（或準(zhǔn)確地講計(jì)算機(jī)串行接口）就是DTE，調(diào)制解調(diào)器MODEM就是DCE，它們位于OSI通信模型的最低層——物理層。

為了統(tǒng)一物理層的操作，使得不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備能相互連接起來(lái)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、國(guó)際電報(bào)電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì)CCITT、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IEEE、美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA均制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和建議，例如CCITT制定的通過(guò)電話(huà)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腣系列建議、通過(guò)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腦系列建議、IEEE制定的用于局域網(wǎng)的IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)等等。其中兩個(gè)最著名的協(xié)議實(shí)例是CCITTV.24和X.21。

由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最早使用的是模擬電話(huà)信道，CCITT較早地開(kāi)發(fā)和建立了適合于電話(huà)網(wǎng)的CCITTV.24，用作計(jì)算機(jī)或終端與Modem之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。CCITTV.24與廣為流行的EIARS-232-C標(biāo)準(zhǔn)相兼容，作為DTE-DCE之間的模擬接口標(biāo)準(zhǔn)非常實(shí)用。第十五頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日1.串行接口標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介（續(xù)）RS-232-C規(guī)定了接口接插件（插頭、插座）的規(guī)格、尺寸、針孔的數(shù)量與排列等機(jī)械特性如下圖所示。RS-232-C規(guī)定了連線(xiàn)的電氣特性：信號(hào)電平采用負(fù)邏輯，即邏輯“1”為-3V～-15V，邏輯“0”為+3V～+15V；使用分立元件實(shí)現(xiàn)不平衡雙流接口，最大工作速率為20Kbps，采用ISO2110規(guī)定的25芯連接器。當(dāng)采用電容性（約150pF/m）多芯電纜時(shí)，最大纜長(zhǎng)不超過(guò)15m。RS-232-C功能特性規(guī)定每條接口線(xiàn)有一個(gè)功能，接口線(xiàn)以英文字母組合命名。RS-232-C規(guī)程特性定義了接口控制信號(hào)線(xiàn)上電平升降的動(dòng)作序列，它們對(duì)應(yīng)了接口兩側(cè)物理連接的建立、維持、拆除以及比特流的傳送情況。第十六頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日1.串行接口標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介（續(xù)）計(jì)算機(jī)還用到其它串行接口。如IBMPC機(jī)支持20mA電流環(huán)方式。以20mA電流的有和無(wú)來(lái)表示邏輯電平“1”和“0”，有4條信號(hào)線(xiàn)：發(fā)送+、發(fā)送-、接收+、接收-；在機(jī)器內(nèi)借用RS-232-C的D型25針連接器中未使用的9、11、18、25號(hào)引線(xiàn)做為上述4條信號(hào)線(xiàn)。20mA電流環(huán)抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，是個(gè)非正式標(biāo)準(zhǔn)。高速遠(yuǎn)距離大容量傳輸場(chǎng)合，也用到RS-422和RS-423，它們采用差分平衡傳輸線(xiàn)和差分不平衡傳輸線(xiàn)，最大傳輸距離達(dá)1500m，傳輸速率可分別達(dá)到1Mbps和100Kbps。1997年以后，支持通用串行總線(xiàn)USB標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)迅猛發(fā)展，USB接口受到普遍支持，大有取代其它各種外設(shè)接口的架勢(shì)，詳見(jiàn)后述。

第十七頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.串行接口連接

以RS-232-C為例介紹串行接口的連接。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了串行通信時(shí)數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（例如計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備DCE（如MODEM）之間的接口信號(hào)。RS-232-C共定義25條線(xiàn)，包括2條地線(xiàn)、4條收發(fā)數(shù)據(jù)線(xiàn)、11條控制線(xiàn)、3條定時(shí)線(xiàn)，另有2條留作測(cè)試用、3條保留備用。實(shí)際上常用的只有9條，分述如下。(2)數(shù)據(jù)收發(fā)線(xiàn)TxD：發(fā)送數(shù)據(jù)線(xiàn)DTE將串行數(shù)據(jù)經(jīng)TxD端發(fā)送至DCE。RxD：接收數(shù)據(jù)線(xiàn)DTE從RxD端接收DCE送來(lái)的串行數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸距離大于15米時(shí)，DTE之間要加Modem進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，一般要用到RS-232-C定義的5～9條信號(hào)線(xiàn)，Modem之間距離近可用專(zhuān)線(xiàn)，距離遠(yuǎn)可通過(guò)電話(huà)網(wǎng)傳輸，接口連接如下圖所示。

SG：信號(hào)地。第十八頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日1.串行接口標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介（續(xù)）

數(shù)據(jù)傳輸距離小于15米時(shí)，可在DTE之間直接通過(guò)RS-232-C連線(xiàn)而無(wú)須Modem，最簡(jiǎn)單情況只要使用3條信號(hào)線(xiàn)就能進(jìn)行全雙工通信，各種接線(xiàn)方式如右圖所示。第十九頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2可編程通信接口芯片

通信接口硬件電路可分為UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter：通用異步收發(fā)器)、USRT(UniversalSynchronousReceiver/Transmitter：通用同步收發(fā)器)和USART(UniversalSynchronous-AsynchronousReceiver/Transmitter：通用同步-異步收發(fā)器)。PC機(jī)中串行通信接口使用8250，屬UART，只支持異步通信，采用單通道雙緩沖結(jié)構(gòu)，芯片外部有40條引腳。8251A-PCI(ProgrammableCommunicationInterface：可編程通信接口)屬USART，采用單通道雙緩沖結(jié)構(gòu)，芯片有28條引腳。8251A的基本性能如下?！?/p>

同步傳輸：每個(gè)字符可設(shè)為5～8位，可內(nèi)同步或外同步，內(nèi)同步自動(dòng)插入同步字符；

傳輸速率可達(dá)64Kbps?！舢惒絺鬏敚好總€(gè)字符可設(shè)為5～8位，傳輸速率可達(dá)19.2Kbps，收發(fā)時(shí)鐘速率可為傳

輸波特率的1、16或64倍，可編程產(chǎn)生1、1.5或2位的停止位，能檢測(cè)假起始位，自

動(dòng)檢測(cè)奇偶錯(cuò)、格式錯(cuò)和溢出錯(cuò)?！?/p>

完全雙工，具有雙緩沖的接收器和發(fā)送器。所有輸入輸出電平與TTL兼容。

第二十頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2.1編程結(jié)構(gòu)

8251A有五個(gè)主要組成部分：面向通信端的接收器、發(fā)送器、調(diào)制解調(diào)控制邏輯和面向CPU端的讀寫(xiě)控制邏輯、數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器。

(1)接收器接收器按接收時(shí)鐘RxC的節(jié)拍將RxD引腳上的串行數(shù)據(jù)一位位地移入接收移位寄存器，按規(guī)定去掉起始位、校驗(yàn)位和停止位，一個(gè)字符接收完畢再將接收移位寄存器中并行數(shù)據(jù)送入接受數(shù)據(jù)緩沖寄存器。接收移位寄存器接收串行數(shù)據(jù)，送出并行數(shù)據(jù)，完成串-并轉(zhuǎn)換。接收移位寄存器和接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器組成了接收的雙緩沖器結(jié)構(gòu)。

(2)發(fā)送器發(fā)送器按TxC的節(jié)拍，將發(fā)送移位寄存器中的數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式裝上起始位、校驗(yàn)位和停止位，再一位一位移到TxD引腳發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)先由CPU送入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器，當(dāng)發(fā)送移位寄存器移空時(shí)，自動(dòng)將發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器的內(nèi)容裝入發(fā)送移位寄存器。發(fā)送移位寄存器裝入的是并行數(shù)據(jù)，送出的串行數(shù)據(jù)，完成并-串轉(zhuǎn)換。

發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和發(fā)送移位寄存器組成了發(fā)送的雙緩沖器結(jié)構(gòu)。

第二十一頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2.1編程結(jié)構(gòu)（續(xù)）(3)調(diào)制解調(diào)(Modem)控制邏輯Modem邏輯控制產(chǎn)生8251A與Modem之間二對(duì)（四線(xiàn)）聯(lián)絡(luò)信號(hào)：和、和，以協(xié)調(diào)8251A與Modem之間同步地傳輸數(shù)據(jù)。(4)讀寫(xiě)控制邏輯讀寫(xiě)控制邏輯對(duì)系統(tǒng)送入8251A的控制信號(hào)進(jìn)行譯碼，實(shí)施對(duì)8251A的讀寫(xiě)操作，如下表所示。(5)數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器包括狀態(tài)緩沖寄存器、命令緩沖寄存器，以及發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器、接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器，經(jīng)雙向三態(tài)數(shù)據(jù)引腳D7～D0與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連。CPU用輸入/輸出指令對(duì)8251A讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)、或讀狀態(tài)字/寫(xiě)控制字，都通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器進(jìn)行。

第二十二頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2.2引腳及其功能

8251A芯片是N溝道硅柵工藝MOS器件，采用28腳DIP封裝，如下圖所示。

(1)數(shù)據(jù)線(xiàn)D7～D0

雙向三態(tài)收發(fā)的數(shù)據(jù)、寫(xiě)入的方式字/同步字符/命令字、讀出的狀態(tài)，都經(jīng)D7～D0進(jìn)行。

(2)讀寫(xiě)控制線(xiàn)C/-D(Control/Data)控制/數(shù)據(jù)信號(hào)，輸入C/-D引腳有兩種狀態(tài)，表征8251A芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)端口和控制（狀態(tài)）端口。當(dāng)-CS有效時(shí)，C/-D=0表示對(duì)8251A讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，C/-D=1則表示讀狀態(tài)或?qū)懣刂谱帧?RD(Read)讀，輸入，低電平有效。有效時(shí)表示對(duì)8251A進(jìn)行讀操作。-WR(Writ)寫(xiě)，輸入，低電平有效。有效時(shí)表示對(duì)8251A進(jìn)行寫(xiě)操作。RESET復(fù)位，輸入，高電平有效。RESET有效使8251A復(fù)位到空閑狀態(tài)，只有重新初始化才能脫離空閑狀態(tài)。CLK時(shí)鐘輸入CLK周期規(guī)定在0.32μs～1.35μs之間。在同步方式CLK頻率大于TxC或RxC（收或發(fā)時(shí)鐘）30倍，異步方式須大于收發(fā)時(shí)鐘4.5倍。

-CS(Chipselect)片選信號(hào)，輸入，低電平有效接地址譯碼器的輸出，有效后才能對(duì)8251A進(jìn)行讀寫(xiě)操作。第二十三頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2.2引腳及其功能

(3)發(fā)送器引腳TxD(TransmitterData)發(fā)送數(shù)據(jù)線(xiàn)，輸出。TxC(TransmitterClock)發(fā)送時(shí)鐘，輸入。TxRDY(TransmitterReady)發(fā)送準(zhǔn)備好，輸出，高電平有效。當(dāng)允許發(fā)送且發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器已空時(shí)，TxRDY有效，告知CPU將下一個(gè)發(fā)送字符送來(lái)。該引腳可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)向CPU申請(qǐng)發(fā)送中斷。TxE(TransmitterEmpty)發(fā)送器空，輸出，高電平有效。TxE有效表示發(fā)送移位寄存器移空，已無(wú)數(shù)據(jù)可發(fā)。TxE有效，必然TxRDY已經(jīng)有效。(4)接收器引腳RxD(ReceiverData)接收數(shù)據(jù)線(xiàn)，輸入。RxC(ReceiverClock)接收時(shí)鐘，輸入。RxRDY(ReceiverReady)接收準(zhǔn)備好，輸出，高電平有效。RxRDY有效，表示接收數(shù)據(jù)緩沖器中已收到一個(gè)接收好的數(shù)據(jù)，可供CPU來(lái)讀取。該引腳可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)向CPU申請(qǐng)接收中斷。SYNDET/BRKDET(SynchronousDetect/BreakDetect)同步檢測(cè)/斷點(diǎn)檢測(cè)，輸出/輸入，高電平有效。 ◆8251A工作于同步方式該引腳表示SYNDET，內(nèi)同步時(shí)該引腳為輸出，有效狀態(tài)（高

電平）表示8251A已經(jīng)檢測(cè)到同步字符；外同步時(shí)該引腳為輸入，由該引腳輸入同步

脈沖，上升沿啟動(dòng)8251A接收數(shù)據(jù)。 ◆8251A工作于異步方式該引腳表示BRKDET，是輸出信號(hào)，有效狀態(tài)（高電平）表示

接收端檢測(cè)到間斷點(diǎn)（編程規(guī)定長(zhǎng)度的全“0”字符）；恢復(fù)正常數(shù)據(jù)接收時(shí)該引腳被

復(fù)位。

第二十四頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2.2引腳及其功能

(續(xù))(5)Modem聯(lián)絡(luò)線(xiàn)

-DTR(DataTerminalReady)數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，輸出，低電平有效。8251A以有效來(lái)通知Modem：DTE（即8251A）已經(jīng)準(zhǔn)備好。-DSR(DataSetReady)數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好，輸入，低電平有效。這是Modem對(duì)的應(yīng)答信號(hào)：表示調(diào)制解調(diào)器已準(zhǔn)備好。-RTS(RequestToSend)請(qǐng)求發(fā)送，輸出，低電平有效。8251A通過(guò)有效來(lái)向Modem提出發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。-CTS(ClearToSend)允許發(fā)送，輸入，低電平有效。這是Modem對(duì)的應(yīng)答信號(hào)：Modem已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，8251A可以發(fā)送數(shù)據(jù)。只有有效，TxRDY引腳才可能有效。

第二十五頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2.3數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程

1.發(fā)送過(guò)程設(shè)置好8251A方式字（規(guī)定數(shù)據(jù)格式、通信方式和通信波特率）后，CPU輸出命令字到8251A，使其-DTR與-RST引腳有效（通知Modem），待Modem來(lái)的-DSR、-CTS以及TxRDY引腳有效（讀狀態(tài)字識(shí)別）后，CPU用輸出指令將發(fā)送數(shù)據(jù)輸出至8251A的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器（TxRDY變?yōu)闊o(wú)效），發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器的內(nèi)容再送至發(fā)送移位寄存器（此時(shí)TxRDY又變?yōu)橛行В却鼵PU送來(lái)下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)），發(fā)送移位寄存器按照發(fā)送時(shí)鐘TxC的節(jié)拍將其內(nèi)容一位一位地移到TxD輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)上串行發(fā)送出去。若是異步通信方式，控制邏輯按規(guī)定的格式給發(fā)送數(shù)據(jù)加上起始位、校驗(yàn)位和停止位。若是同步方式，外同步在外界同步脈沖觸發(fā)后/內(nèi)同步在發(fā)送同步字符（一個(gè)或兩個(gè)）后，再按TxC節(jié)拍將發(fā)送移位寄存器內(nèi)容逐位移到TxD輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)上。當(dāng)發(fā)送移位寄存器移空時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器內(nèi)容自動(dòng)裝入發(fā)送移位寄存器，接著發(fā)送下一個(gè)字符的各位，如此不斷重復(fù)，使數(shù)據(jù)發(fā)送連續(xù)進(jìn)行。CPU通過(guò)查詢(xún)或中斷方式及時(shí)地將發(fā)送數(shù)據(jù)送到發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器，保證內(nèi)存中待發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器——發(fā)送移位寄存器——TxD，按TxC的節(jié)拍，源源不斷地從TxD引腳線(xiàn)上發(fā)送出去，直至發(fā)送結(jié)束。若發(fā)送的數(shù)據(jù)不能及時(shí)送到發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器(TxRDY有效)，8251A按照既定的TxC速率對(duì)發(fā)送移位寄存器繼續(xù)發(fā)送，將發(fā)送移位寄存器移空后TxE變?yōu)橛行?，發(fā)送過(guò)程就將中斷（沒(méi)有有效的數(shù)據(jù)供發(fā)送）。

第二十六頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2.3數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程（續(xù)）2.接收過(guò)程初始化設(shè)置好8251A方式字，對(duì)內(nèi)同步方式CPU輸出命令字使8251A進(jìn)入收索同步字符狀態(tài)，不斷判斷RxD引腳上是否接收到同步字符（一個(gè)或二個(gè)），若接收到同步字符，CPU輸出命令字允許8251A開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。對(duì)外同步方式，則接收到輸入的同步脈沖后開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。同步方式按RxC節(jié)拍從RxD引腳上逐位接收串行數(shù)據(jù)放入接收移位寄存器中，每接收完一個(gè)字符后就將接收移位寄存器中內(nèi)容裝入接收緩沖寄存器中。

對(duì)異步方式允許接收后，8251A不斷判斷RxD引腳上是否收到起始位（“0”電平），若收到起始位則每隔若干時(shí)鐘周期在數(shù)據(jù)位的中間點(diǎn)判斷RxD引腳上接受的是“0”還是“1”，每接收完一幀（一個(gè)字符）8251A就按規(guī)定的格式去掉起始位、校驗(yàn)位和停止位，將接收移位寄存器中內(nèi)容裝入接收緩沖寄存器中。接收緩沖寄存器中每裝入一個(gè)接收的字符，RxRDY引腳輸出有效，同時(shí)狀態(tài)寄存器的RxRDY位為“1”；如果接收的字符出錯(cuò)，則狀態(tài)寄存器的相應(yīng)出錯(cuò)標(biāo)志位（共3個(gè)）置位。CPU用中斷或查詢(xún)方式讀取接收的數(shù)據(jù)。

中斷方式由RxRDY引腳經(jīng)中斷控制器向CPU申請(qǐng)中斷；

查詢(xún)方式CPU首先從8251A狀態(tài)寄存器讀入狀態(tài)字，判斷一個(gè)字符是否接收完畢？接收是否出錯(cuò)？若接受完畢且無(wú)差錯(cuò)則從接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器中讀入數(shù)據(jù)，否則等待或進(jìn)行出錯(cuò)處理。

若CPU遲遲未取走已經(jīng)送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的接收數(shù)據(jù)，8251A按RxC節(jié)拍從RxD引腳上又接收完一個(gè)字符數(shù)據(jù)并再次裝入接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，則前一個(gè)接收數(shù)據(jù)將被沖掉，這就發(fā)生了重疊錯(cuò)（又稱(chēng)溢出錯(cuò)，狀態(tài)寄存器的D4=1）。

第二十七頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.2.4初始化編程

8251A是可編程單通道全雙工通信接口芯片，軟硬件協(xié)調(diào)工作，不管是發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)，都必須先對(duì)芯片進(jìn)行初始化編程。初始化編程定義8251A通信方式、字符格式、傳輸波特率等，設(shè)置收發(fā)操作及其工作狀態(tài)。

1.初始化流程初始化向8251A寫(xiě)入方式字、（同步字符）和命令字，它們都寫(xiě)入芯片的控制端口，靠寫(xiě)入時(shí)的狀態(tài)和順序來(lái)區(qū)分。在8251A復(fù)位狀態(tài)下，依次寫(xiě)入方式字→（同步字符）→命令字，異步方式或外同步方式時(shí)不需寫(xiě)入同步字符。初始化后8251A才能收發(fā)通信，其流程如右圖所示。

8251A只有一個(gè)控制端口，必須復(fù)位后才能寫(xiě)入方式字、同步字符和命令字，而復(fù)位又必須由命令字完成，如何進(jìn)行呢？一般先向控制口連續(xù)寫(xiě)入兩個(gè)字節(jié)0AAH、40H，0AAH稱(chēng)為虛字節(jié)，若8251A認(rèn)為是方式字則為異步方式，接著向控制口寫(xiě)入的必定是命令字；若8251A認(rèn)為是命令字，則沒(méi)有內(nèi)部復(fù)位(D6=0)，接著向控制口寫(xiě)入的仍為命令字。因此接在0AAH之后寫(xiě)入的40H為命令字，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位(D6=1)，接下來(lái)向控制口寫(xiě)入的肯定是方式字了，開(kāi)始實(shí)際的初始化操作，本小節(jié)最后的接收程序?qū)?251A就是這樣開(kāi)始初始化編程的。

第二十八頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.方式控制字

方式控制字規(guī)定了8251A通信的字符格式與校驗(yàn)、波特率系數(shù)和同步方式。其格式如下圖所示。

D1D0=00為同步傳輸，

D1D0=01、10、11為異步傳輸，波特率系數(shù)分別為×1、×16、×64。D3D2決定一個(gè)字符的長(zhǎng)度。D5D4定義字符的奇偶校驗(yàn)及校驗(yàn)方式。D4=0則D5位無(wú)效D7D6同步時(shí)規(guī)定同步方式和單/雙同步字符；異步時(shí)規(guī)定停止位位數(shù)。

第二十九頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日3.命令控制字

命令控制字規(guī)定了8251A芯片的收—發(fā)操作及其狀態(tài)，其格式如下圖所示。

D0允許發(fā)送位：=1允許發(fā)送，=0禁止發(fā)送。只有D0=1，TxRDY才可能有效。D1數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好：=1使-DTR引腳有效（為0）。D2允許接收位：=1允許接收，=0禁止接收。只有D2=1，RxRDY才可能有效。允許接收必須使錯(cuò)誤標(biāo)志復(fù)位（使命令字D4=1），在同步方式允許接受時(shí)還必須進(jìn)入同步收索操作（使命令字D7=1）。D5請(qǐng)求發(fā)送位：=1使引腳-RTS有效，向Modem提出發(fā)送請(qǐng)求。D6內(nèi)部復(fù)位位：=1強(qiáng)制8251A內(nèi)部復(fù)位，使之回到準(zhǔn)備接收方式字狀態(tài)。D7進(jìn)入收索操作位：只用于內(nèi)同步方式，為1使8251A進(jìn)入收索同步字符操作狀態(tài)，收索到則使SYNDET引腳有效，并開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)的接收操作。D3發(fā)送斷點(diǎn)字符位：=1迫使TxD端發(fā)送斷點(diǎn)字符“1”，=0正常傳輸。D4出錯(cuò)標(biāo)志復(fù)位位：=1使?fàn)顟B(tài)寄存器中三個(gè)出錯(cuò)標(biāo)志位復(fù)位，以便重新接收字符。

第三十頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日4.狀態(tài)字

狀態(tài)寄存器記錄了8251A在收發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)程中的狀態(tài)，供CPU讀取。狀態(tài)字格式如下圖所示。

D0：TxRDY位，為1表示發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器已空。D1：RxRDY位，為1表示接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器中已有一個(gè)接收好的數(shù)據(jù)。D2：TxE位，為1表示發(fā)送移位寄存器已空（無(wú)數(shù)據(jù)可發(fā)），其電平與TxE引腳相同。D3：PE（奇偶錯(cuò)）位，為1表示接收到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)。D4：OE（溢出錯(cuò)）位，為1表示出現(xiàn)溢出錯(cuò)，前一個(gè)已接受好的數(shù)據(jù)被沖掉。D5：PE（格式錯(cuò)）位，為1表示不能收到字符的有效停止位，字符格式出錯(cuò)。D6：SYNDET/BRKDET（同步/斷點(diǎn)檢測(cè)）位，為1表示已經(jīng)檢測(cè)到同步字符（內(nèi)同步方式）或接收到斷點(diǎn)字符（異步方式）。D7：DSR(數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好)位，為1表示Modem已準(zhǔn)備好，電平狀態(tài)與引腳-DSR相反。

第三十一頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日5.8251A應(yīng)用

(1)8251A與CPU、RS-232-C的硬件連接8251A作為串行通信接口，與CPU、RS-232-C的硬件連接如下圖所示。 經(jīng)RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口，8251A可連接異步/同步調(diào)制解調(diào)器等通信設(shè)備。

第三十二頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日(2)軟件編程控制通信

以甲乙兩臺(tái)TP86單板機(jī)之間通信為例介紹編程控制。兩臺(tái)單板機(jī)均以8251A作為DTE，若距離很近，只需將甲機(jī)8251A的TxD、RxD同乙機(jī)8251A的RxD、TxD引線(xiàn)互連、再將信號(hào)地線(xiàn)GND直接相連即可。若相距較遠(yuǎn)，可經(jīng)RS-232-C接口使用Modem、再經(jīng)專(zhuān)線(xiàn)或電話(huà)網(wǎng)連接通信，參考前圖。要求把甲機(jī)上存儲(chǔ)在TBUFFER緩沖區(qū)、長(zhǎng)度為2DH的數(shù)據(jù)塊（一段顯示程序）傳送到乙機(jī)的RBUFFER的緩沖區(qū)中，采用異步方式，字符長(zhǎng)度為8位、停止位2位、無(wú)校驗(yàn)，波特率系數(shù)為16。因此8251A的方式字為0CEH，發(fā)送命令字為33H（DTE準(zhǔn)備好、允許并請(qǐng)求發(fā)送、錯(cuò)誤標(biāo)志復(fù)位），接受命令字為54H（錯(cuò)誤復(fù)位、允許接受）。CPU采用查詢(xún)方式與8251A交換數(shù)據(jù)，8251A的控制口地址為0F2H，數(shù)據(jù)口地址為0F0H（即8251A的C/接系統(tǒng)地址總線(xiàn)A1）。接收與發(fā)送程序分別編寫(xiě)，每個(gè)程序都包括8251A初始化、狀態(tài)查詢(xún)和數(shù)據(jù)傳輸。第三十三頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日TP86發(fā)送程序CSEG SEGMENTASSUME CS：CSEG

；以下是待發(fā)送的45個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)TBUFFER DB<…………> DB<…………>TCOUNT EQU$-TBUFFER TRAN PROC FAR MOVDX，0F2H ；DX指向控制口

MOVAL，0 ；連同以下三句使8251A進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)

OUTDX，AL OUTDX，AL OUTDX，AL MOVAL，40H ；內(nèi)部復(fù)位命令字

OUTDX，AL NOP MOVAL，0CEH ；設(shè)置方式字

OUTDX，AL MOVAL，33H ；設(shè)置發(fā)送方命令字

OUTDX，AL MOVCX，TCOUNT ；設(shè)置發(fā)送字節(jié)數(shù)

LEASI，TBUFFER ；發(fā)送字節(jié)的首地址送SI地址指針第三十四頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日TP86發(fā)送程序（續(xù)）

LTRA： INAL，DX ；讀取狀態(tài)

TESTAL，01H ；發(fā)送緩沖器空嗎？

JZLTRA ；不空則繼續(xù)詢(xún)問(wèn)等待

MOVDX，0F0H ；DX指向數(shù)據(jù)端口

MOVAL，[SI] ；取發(fā)送字節(jié)

OUTDX，AL ；送去發(fā)送

INCSI ；指向下一個(gè)發(fā)送字節(jié)

MOVDX,0F2H

LOOPLTRA ；未發(fā)送完，繼續(xù)

JMPFF00：0000H ；發(fā)送完畢，返回監(jiān)控

TRAN ENDP

CSEG ENDS

END

第三十五頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日TP86接收程序CDSEG SEGMENT ASSUME CS：CDSEGRBUFFER DB 45DUP(？) ；設(shè)置45個(gè)字節(jié)長(zhǎng)的接受字符緩沖區(qū)

RCOUNT EQU$-RBUFFERRECE PROC FARSTART： MOVDX，0F2H ；DX指向控制口

MOVAL，0AAH ；使8251A進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)

OUTDX，AL MOVAL，50H ；復(fù)位并清除出錯(cuò)標(biāo)志命令

OUTDX，AL NOP MOVAL，0CEH ；設(shè)置方式字

OUTDX，AL MOVAL，54H ；設(shè)置接收方命令字

OUTDX，AL MOVCX，RCOUNT ；設(shè)置接收字節(jié)數(shù)

LEADI，RBUFFER ；DI指向接受緩沖區(qū)首地址

第三十六頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日TP86接收程序（續(xù)）

LREC： MOVDX，0F2H ；DX指向狀態(tài)口

INAL，DX ；讀取狀態(tài)

TESTAL，02H ；接收到一個(gè)字符嗎？

JZLREC ；未接受到，繼續(xù)詢(xún)問(wèn)等待

TESTAL，38H ；接收出錯(cuò)否？

JNZERR ；出錯(cuò)則轉(zhuǎn)ERR處理

MOVDX，0F0H ；無(wú)差錯(cuò)則轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)口接收數(shù)據(jù)

INAL，DX MOV[DI]，AL ；接收數(shù)據(jù)送接收緩沖區(qū)

INCDI ；指向下一個(gè)接收單元地址

DECCX ；接收計(jì)數(shù)

JNZLREC ；未完，繼續(xù)接收

ERR：<…………> ；接受出錯(cuò)處理 ┆ ┆

RECE ENDP CDSEG ENDS END

第三十七頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.3微機(jī)異步通信適配器

異步通信適配器是計(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器等外部通信設(shè)備之間的接口電路。早期微機(jī)異步串行通信適配器有兩個(gè)通信通道，分主、輔兩個(gè)串行口(COM1和COM2)，PC機(jī)中相應(yīng)有主、輔兩塊插卡，PC/XT機(jī)將兩卡合一、并和其他電路做在一塊適配卡上，再往后兩個(gè)異步通信適配器直接整合在微機(jī)的主板內(nèi)。PC/XT機(jī)異步通信適配器以可編程異步通信控制器8250為核心，配以TTL←→EIA電平轉(zhuǎn)換等電路，采用RS-232-C和20mA電流環(huán)傳輸方式。8250芯片采用DIP40引腳封裝，片內(nèi)有10個(gè)8位寄存器用來(lái)控制傳輸數(shù)據(jù)格式、通信波特率，記錄通信線(xiàn)路和Modem的狀態(tài)，管理中斷。8250有一個(gè)全雙工的異步通信通道，不支持同步通信方式。

第三十八頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.3.1異步通信適配器硬件邏輯結(jié)構(gòu)

異步通信適配器硬件邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示，包括8250與系統(tǒng)總線(xiàn)的連接、以及通信端口的連線(xiàn)。

第三十九頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日8250是微機(jī)異步通信適配器的核心，其內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部引腳示于下圖。

第四十頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日1.主輔串口地址及8250片內(nèi)寄存器尋址

主串口地址：跨接器U15的J12接通、J10斷開(kāi)，當(dāng)AEN=0（非DMA操作）時(shí)，若A9～A3為全“1”，與非門(mén)U2輸出為“0”，片選有效（另兩個(gè)片選端CS0與CS1接+5V，一直有效），主串口的8250被選中，故主串口地址為1111111xxx，即3F8H～3FFH。輔串口地址：跨接器U15的J10接通、J12斷開(kāi)，將A8反相接至U2，其它與主串口情況相同，故輔串口地址為101111xxx，即2F8H～2FFH。片內(nèi)寄存器尋址：由地址線(xiàn)A2～A0及片內(nèi)線(xiàn)路控制寄存器最高位D7（DLAB位）實(shí)現(xiàn)對(duì)8250片內(nèi)10個(gè)寄存器尋址。

2.對(duì)通信適配器的讀寫(xiě)控制◆由系統(tǒng)信號(hào)-IOR和-IOW直接控制對(duì)8250的讀和寫(xiě)?！?250芯片的正數(shù)據(jù)輸入選通引腳DISTR和正數(shù)據(jù)輸出選通引腳DOSTR直接接地、一直

無(wú)效，◆系統(tǒng)讀信號(hào)-IOR經(jīng)兩級(jí)反相接到8250的負(fù)數(shù)據(jù)輸入選通引腳-DISTR，控制對(duì)其讀出；

◆系統(tǒng)寫(xiě)信號(hào)直接與8250的負(fù)數(shù)據(jù)輸出選通引腳-DOSTR相連，控制對(duì)其寫(xiě)入。

◆兩個(gè)輸入選通引腳DISTR和-DISTR、兩個(gè)輸出選通引腳DOSTR和-DOSTR中，只要有一

個(gè)有效即可對(duì)8250進(jìn)行讀或?qū)憽?/p>

3.基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入◆1.8432MHz晶振脈沖經(jīng)三態(tài)門(mén)U7隔離、整形送到8250的基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入端XTAL1?；鶞?zhǔn)

時(shí)鐘再用片內(nèi)的兩個(gè)8位除數(shù)鎖存器鎖存的除數(shù)（16位）對(duì)之分頻，即得到發(fā)送器的

發(fā)送時(shí)鐘；

◆將芯片輸出引腳BAUDOUT與輸入引腳RCLK相連，則8250接收器的接收時(shí)鐘與發(fā)送

器的發(fā)送時(shí)鐘相同。

第四十一頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.3.2異步通信接口

如圖所示，異步通信接口有6條（32～33、36～39）與Modem的聯(lián)絡(luò)控制線(xiàn)，提供RS-232-C電壓傳輸方式和20mA電流傳輸方式。U14將Modem信號(hào)線(xiàn)上EIA電平轉(zhuǎn)換成TTL電平送到8250的-RLSD(ReceiverLineSignalDetect：接收線(xiàn)路信號(hào)檢測(cè))、-CTS(ClearToSend：允許發(fā)送)、-DSR(DataSetReady：數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好)和-RI(Ring：振鈴)引腳，U12則把8250的輸出引腳-DTR(DataTerminalReady：數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好)和-RTS(RequestToSend：請(qǐng)求發(fā)送)的TTL電平轉(zhuǎn)換成EIA電平送到RS-232-C的D型插座20#和4#引腳上。采用RS-232-C方式傳輸，則跨接器U5的J7和J8接通，J1、J2和J3斷開(kāi)。8250串行輸出數(shù)據(jù)從SOUT引腳經(jīng)U13變成EIA電平，通過(guò)J7輸出到RS-232-C的D型插座TxD線(xiàn)（腳2#）。而從D型插座的RxD線(xiàn)（腳3#）來(lái)的接收數(shù)據(jù)經(jīng)U9轉(zhuǎn)換成TTL電平，通過(guò)J8送入8250的串行輸入引腳SIN。使用20mA電流環(huán)方式傳輸，跨接器U5的J1、J2和J3接通，J7和J8斷開(kāi)。SOUT的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)U8（3個(gè)并聯(lián)的集電極開(kāi)路電路）產(chǎn)生20mA電路，該電流通過(guò)J2、通信線(xiàn)路、對(duì)方兩個(gè)接收端（18#和25#）和J1構(gòu)成電流環(huán)路。作為接收方20mA電流流經(jīng)U4使發(fā)光二極管發(fā)光，緊挨著的光敏二極管導(dǎo)通，使三極管導(dǎo)通，其集電極變?yōu)榈碗娖?，反相后為高電平，即TTL電平“1”，經(jīng)J3送入8250的串行輸入端SIN；若沒(méi)有20mA電流，則送入SIN引腳的為“0”。

第四十二頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.3.3串行通信功能調(diào)用

基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS提供了對(duì)異步通信功能的調(diào)用，用“INT14H”指令實(shí)現(xiàn)。這樣，用戶(hù)就不必熟悉異步通信適配器的硬件結(jié)構(gòu)及有關(guān)細(xì)節(jié)，只要給出相應(yīng)的通信參數(shù)、然后調(diào)用即可。調(diào)用主串口（地址范圍3F8H～3FFH），須令DX=0；DX=1調(diào)用輔串口（地址范圍2F8H～2FFH）。串行通信功能調(diào)用INT14H有四種功能，功能號(hào)為0～3，由AH指明。1.初始化通信口 功能號(hào)：AH=0

入口參數(shù)：AL

出口參數(shù)：AX

第四十三頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日出口參賽返回通信線(xiàn)路狀態(tài)（在AH中）和Modem狀態(tài)（在AL中），如下圖所示。

入口參數(shù)規(guī)定數(shù)據(jù)格式、校驗(yàn)方式和波特率，如下圖所示。

第四十四頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日3.接收數(shù)據(jù) 功能號(hào)：AH=2

入口參數(shù)：（無(wú)） 出口參數(shù)：AL（接收的字符）

AH（通信線(xiàn)路狀態(tài)，D5=0、D6=0，其余同上）4.讀取通信口狀態(tài) 功能號(hào)：AH=3

入口參數(shù)：（無(wú)）

出口參數(shù)：AX（AH為通信線(xiàn)路狀態(tài)，AL為Modem狀態(tài)，同上）

2.發(fā)送數(shù)據(jù) 功能號(hào)：AH=1入口參數(shù)：AL（發(fā)送的字符）出口參數(shù)：AH（通信線(xiàn)路狀態(tài)，同上）

第四十五頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.4通用串行總線(xiàn)

隨著外圍設(shè)備日益豐富，人們期盼能簡(jiǎn)單易行地對(duì)外設(shè)進(jìn)行擴(kuò)充，希望能獲得一個(gè)高性?xún)r(jià)比的標(biāo)準(zhǔn)接口，執(zhí)行靈活的協(xié)議，廣泛接納各種設(shè)備。串行通信總線(xiàn)USB提供了外設(shè)共享接口，解決了個(gè)人計(jì)算機(jī)與周邊設(shè)備的通用連接，USB和IEEE1394實(shí)現(xiàn)了多媒體可視化動(dòng)態(tài)視頻與音頻信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，尤其USB，適合低、中、高速外設(shè)的通用連接，價(jià)廉易用，許多人都期待其實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)外設(shè)接口的大一統(tǒng)。串行總線(xiàn)減少了接口的針腳數(shù)目，降低電力消耗和發(fā)熱量，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)層面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在機(jī)箱內(nèi)，新世紀(jì)之初推出的硬盤(pán)接口類(lèi)型ATA-100就是SATA(SerialATA：串行ATA)的初始規(guī)格，第一代SATA速度達(dá)150Mbps，總線(xiàn)速度達(dá)1.5Gbps；第三代SATA速度預(yù)計(jì)達(dá)600Mbps，而總線(xiàn)速度可達(dá)6Gbps。

第四十六頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.4.1USB概述

USB（UniversalSerialBus：通用串行總線(xiàn)）在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)上引入了某些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)外設(shè)連接技術(shù)的重大變革，已成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)接口的主流。

1.USB接口性能和特點(diǎn)USB接口性能如下：n

支持同步與異步傳輸，USB1.1數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)12Mbps，USB2.0最高480Mbps。n

一個(gè)UBS接口最多可連接127臺(tái)外設(shè)，整個(gè)連接采用樹(shù)型分層管理，最多支持5層集

線(xiàn)器。n

四芯連線(xiàn)：2根用于差分信號(hào)的數(shù)據(jù)線(xiàn)，2根電源線(xiàn)。n

最大接線(xiàn)長(zhǎng)度5米左右。n

即插即用，支持設(shè)備帶電熱插拔。n

增刪外設(shè)簡(jiǎn)單方便，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)收索、識(shí)別、配置新外設(shè)，會(huì)自動(dòng)收回已撤消外設(shè)

所占用的資源。n

可提供或接受外設(shè)電源。第四十七頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日1.USB接口性能和特點(diǎn)(續(xù))USB標(biāo)準(zhǔn)能對(duì)不同的系統(tǒng)和部件提供不同的功能，具有廣泛的應(yīng)用性，是外圍設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)。USB特點(diǎn)如下：n

易用性

USB連接器具有單一的模型，支持熱插拔和即插即用（PaP）,允許隨時(shí)加

入和撤除設(shè)備，提供動(dòng)態(tài)識(shí)別并自動(dòng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置和驅(qū)動(dòng)。n

廣泛性可對(duì)多個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行操作，在主機(jī)和設(shè)備之間傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流和報(bào)文；

適應(yīng)各種設(shè)備，支持同步和異步傳輸模式。能向外設(shè)提供電能，也可接受外設(shè)提供

的電能。與現(xiàn)有操作系統(tǒng)相適應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生任何沖突。n

靈活性允許選擇設(shè)備緩沖區(qū)的大小和傳輸帶寬，支持一系列大小數(shù)據(jù)包分幀串行

傳輸，支持各種數(shù)據(jù)傳輸率，從幾Kbps到幾Mbps甚至幾百M(fèi)bps。n

容錯(cuò)性USB協(xié)議中規(guī)定了出錯(cuò)處理和差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制，可對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)和

報(bào)告，可對(duì)有缺陷的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)定。 ●高性能價(jià)格比

價(jià)格低廉而性能優(yōu)越，將外設(shè)和主機(jī)進(jìn)行了最優(yōu)集成，提供低價(jià)的

電纜和連接器，促進(jìn)了低價(jià)外設(shè)的發(fā)展。

第四十八頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.USB系統(tǒng)概況

USB系統(tǒng)分為三部分：USB主機(jī)、USB連接和USB設(shè)備。

下面簡(jiǎn)述USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——USB設(shè)備——USB傳輸。USB主機(jī)是USB系統(tǒng)的核心。任何USB系統(tǒng)中，只有一個(gè)主機(jī)。主機(jī)系統(tǒng)的USB接口稱(chēng)為主機(jī)控制器HC（HostController），由硬件和軟件綜合實(shí)現(xiàn)之?！鬠SB連接是指設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行

的連接及其通信方式。

◆從物理連接上看，USB呈樹(shù)型結(jié)構(gòu)，

是有層次的星型布局，每個(gè)集線(xiàn)器

Hub是星型的中心，每條線(xiàn)段實(shí)現(xiàn)

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，設(shè)備通過(guò)集線(xiàn)器分

層連接到主機(jī)上，主機(jī)是這棵樹(shù)的

根，如右圖所示。

USB的拓?fù)渖疃炔怀^(guò)5層。

◆從邏輯上看，USB是星型網(wǎng)絡(luò)，主

機(jī)是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心。主機(jī)與設(shè)備

相連進(jìn)行通信，它們各自充當(dāng)信息

流的源（或目的）端和目的（或源）

端。

第四十九頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.USB系統(tǒng)概況（續(xù)）USB設(shè)備有集線(xiàn)器Hub和功能部件兩類(lèi)。集線(xiàn)器提供USB設(shè)備和主機(jī)之間的接口電路，簡(jiǎn)化了USB互連的復(fù)雜性，讓更多不同性能的設(shè)備方便地連到USB上。

連接點(diǎn)稱(chēng)作端口，每個(gè)集線(xiàn)器上有一個(gè)上行端口和若干個(gè)下行端口，上行端口向主機(jī)方向進(jìn)行連接，下行端口連接到下層的集線(xiàn)器或功能部件。集線(xiàn)器可以發(fā)現(xiàn)下行端口上的設(shè)備插入或移出，為下行設(shè)備分配電能。功能部件是通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)和控制信息的設(shè)備，由一條電纜連到集線(xiàn)器某個(gè)下行端口上，為系統(tǒng)提供具體的功能，如ISDN連接設(shè)備、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、移動(dòng)硬盤(pán)等。有的USB設(shè)備需要主機(jī)提供電源，稱(chēng)作總線(xiàn)供電設(shè)備，如鼠標(biāo)等；有些SUB設(shè)備可自帶電源，稱(chēng)作自供電設(shè)備。USB主機(jī)和USB設(shè)備之間的通信最終都通過(guò)USB電纜進(jìn)行。USB電纜由4根導(dǎo)線(xiàn)組成，一對(duì)具有28AGW規(guī)格的雙絞信號(hào)線(xiàn)為數(shù)據(jù)線(xiàn)，一對(duì)在允許規(guī)格范圍內(nèi)的非雙絞線(xiàn)為電源線(xiàn)和地線(xiàn)，外加屏蔽層。四條導(dǎo)線(xiàn)使用不同的顏色，如右表所示。第五十頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.USB系統(tǒng)概況（續(xù)）為了減少噪聲干擾，發(fā)送、傳輸和接收都采用差分信號(hào)。USB電纜上的串行傳輸數(shù)據(jù)采用NRZI（NoneReturnZeroInvert：“0”翻轉(zhuǎn)不歸零碼）編碼方式，傳輸信號(hào)線(xiàn)電平翻轉(zhuǎn)（有跳變）表示“0”，無(wú)跳變表示“1”。

與RS-232-C不同，USB設(shè)備與USB總線(xiàn)采用同名端相連如下圖所示。

USB連接器有兩個(gè)系列：A系列插頭（一般上行到主機(jī)系統(tǒng)）/插座和B系列插頭（一般下行到USB設(shè)備）/插座。

USB設(shè)備可隨時(shí)安裝或拆卸，集線(xiàn)器Hub內(nèi)有個(gè)狀態(tài)寄存器指明其下行端口上的設(shè)備是安裝了還是拆除了。

◆當(dāng)一個(gè)USB設(shè)備插入Hub的一個(gè)端口時(shí)，Hub向主機(jī)報(bào)告狀態(tài)的改變，主機(jī)查明所連接

的端口，等待100ms（待插入動(dòng)作完成并穩(wěn)定）后發(fā)回一個(gè)復(fù)位命令將該端口使能，

USB設(shè)備進(jìn)入默認(rèn)狀態(tài)；接著主機(jī)給該端口的USB設(shè)備分配一個(gè)唯一的地址并讀取設(shè)備

描述表，主機(jī)從讀取的配置信息中為設(shè)備選定一個(gè)配置值。到此時(shí)設(shè)備已可使用。

◆移除USB設(shè)備，Hub同樣會(huì)通知主機(jī)，使設(shè)備所連接的端口回到未使能狀態(tài)，主機(jī)更新

內(nèi)部的拓?fù)湫畔?。第五十一?yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.USB系統(tǒng)概況（續(xù)）設(shè)備使能后就可以和主機(jī)通信。USB是一種輪詢(xún)方式的串行總線(xiàn)，主機(jī)控制器初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。USB總線(xiàn)時(shí)間以一毫秒的間隔等分為幀，主機(jī)控制器以1ms為周期產(chǎn)生幀起始包SOF（StartofFrame）來(lái)標(biāo)識(shí)一幀的開(kāi)始。一次I/O操作將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（包括命令、狀態(tài)等信息）分割成許多包（Package）在一幀或若干幀內(nèi)傳送。總線(xiàn)一次傳送操作一般包含三種類(lèi)型的包：傳送開(kāi)始時(shí)刻，主機(jī)控制器發(fā)送一個(gè)標(biāo)志包（又稱(chēng)令牌包），描述傳輸?shù)姆N類(lèi)、方向、USB設(shè)備地址和端口號(hào)等；隨后由發(fā)送端發(fā)送若干數(shù)據(jù)包給接收端；最后接收端給發(fā)送端回送一個(gè)握手包，表明傳送是否成功。USB數(shù)據(jù)傳送有四種基本類(lèi)型。控制傳送：USB設(shè)備初次安裝時(shí)，USB系統(tǒng)軟件用來(lái)設(shè)置設(shè)備參數(shù)。采用嚴(yán)格的差錯(cuò)控制機(jī)制，是無(wú)損傳送。批傳送：又稱(chēng)塊傳送，是大批量數(shù)據(jù)傳送，如打印輸出、掃描輸入等。中斷傳送：少量具有突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸，要求傳輸延時(shí)短。同步傳送：以固定的速率發(fā)送和接收信息，對(duì)傳輸延時(shí)非常敏感。

各種不同傳送類(lèi)型的數(shù)據(jù)包在一個(gè)幀內(nèi)傳送，一個(gè)I/O事務(wù)的數(shù)據(jù)包可在一個(gè)或若干個(gè)幀內(nèi)傳送。同步傳送和中斷傳送屬于周期傳送，傳送時(shí)間之和不得超過(guò)一幀的90%時(shí)間，控制傳送和批傳送屬于非周期性傳送，其時(shí)間總和一般不得超過(guò)一幀的10%時(shí)間。第五十二頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.USB系統(tǒng)概況（續(xù)）主機(jī)和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸可視為一條信道?！鬠SB設(shè)備上電后即存在一條默認(rèn)的控制信道，該信道提供設(shè)備配置和

狀態(tài)/控制信息的傳輸；其余信道在USB設(shè)備設(shè)置完成后才會(huì)存在。 ◆一個(gè)設(shè)備可以有幾個(gè)信道。信道有兩種類(lèi)型：消息信道和流通道。◆消息信道上傳送的數(shù)據(jù)都是有格式的，符合USB定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用

于控制傳送（傳送控制命令和狀態(tài)信息）?！袅魍ǖ纻魉偷臄?shù)據(jù)沒(méi)有格式，是單向傳輸，用于同步傳送、中斷傳送

和批傳送。對(duì)傳送進(jìn)行安排可對(duì)流通道實(shí)現(xiàn)流控功能。流控機(jī)制允許靈活的任務(wù)安排，使不同性質(zhì)的流傳送同時(shí)正常工作，多種流通道在不同的時(shí)間間隔傳送不同大小的數(shù)據(jù)包。

第五十三頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日3.USB使用

使用USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個(gè)方面支持。

◆當(dāng)前微機(jī)都采用支持USB功能的芯片組，因此主板上有USB接口插座；◆Windows98～WindowsXP等操作系統(tǒng)都提供USB功能；

◆現(xiàn)在USB外設(shè)越來(lái)越多，如移動(dòng)硬盤(pán)、閃存盤(pán)（MP3/MP4）、數(shù)字相

機(jī)、數(shù)字游戲桿、掃描儀、打印機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)……USB設(shè)備可插在微機(jī)上任意USB端口內(nèi)。使用USBHub還可以級(jí)連擴(kuò)展端口，接入更多的USB設(shè)備。但級(jí)連最多5級(jí)，擴(kuò)展連接距離不得超過(guò)30m，一臺(tái)主機(jī)最多可連127臺(tái)USB設(shè)備（包括Hub）。在系統(tǒng)運(yùn)行中，可隨時(shí)插入或拔下USB設(shè)備。

◆插入U(xiǎn)SB設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到該硬件并完成對(duì)它的設(shè)置，不需要

關(guān)閉和重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

早期的Windows98稍稍麻煩一點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)彈出一個(gè)窗口提示用戶(hù)安裝

或選擇該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，用戶(hù)在系統(tǒng)提示下一步步操作即可。

◆拔下USB設(shè)備，也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)中其它的設(shè)備和運(yùn)行的程序產(chǎn)生影響。

第五十四頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日7.4.2USB通信的層次結(jié)構(gòu)及其功能

1.分層連接及層間數(shù)據(jù)流從邏輯連接上看，USB是個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)是該網(wǎng)絡(luò)的中心，從它出發(fā)連接著各個(gè)USB設(shè)備。

USB主機(jī)又可分為三層：客戶(hù)層、USB系統(tǒng)層、主機(jī)控制層，如下圖所示。

第五十五頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日1.分層連接及層間數(shù)據(jù)流（續(xù)）(1)客戶(hù)層客戶(hù)層處在USB主機(jī)的最高層，面向客戶(hù)提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

為屏蔽設(shè)備的硬件細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)透明通信，USB引入了信道概念：將客戶(hù)層到應(yīng)用功能層（USB設(shè)備的最高層）之間的邏輯連接視為信道。從信道取數(shù)據(jù)，即從設(shè)備輸入數(shù)據(jù)到客戶(hù)（層）；往信道送數(shù)據(jù)，即從客戶(hù)（層）輸出數(shù)據(jù)到設(shè)備。(2)USB系統(tǒng)層USB系統(tǒng)層是整個(gè)USB的管理中樞，由三部分組成：HCD（HostControllDriver：主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器）、USBD（USBDriver：USB驅(qū)動(dòng)器）和主機(jī)軟件。

◆USB系統(tǒng)可能有多個(gè)不同的主機(jī)控制器，HCD將具體的不同的主機(jī)控制器映像到

USB系統(tǒng)，屏蔽掉主機(jī)控制器細(xì)節(jié)，提供統(tǒng)一的HCDI（HCDInterface：HCD接口）

給USBD。

◆在USB系統(tǒng)層內(nèi)，USBD處于HCD之上，面向客戶(hù)層提供USBDI（USBDInterface：

USBD接口），支持客戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備配置等請(qǐng)求。

◆主機(jī)軟件也面向客戶(hù)，是可選的，主機(jī)軟件接受客戶(hù)的命令，并將其轉(zhuǎn)換成USBDI

所要求的標(biāo)準(zhǔn)格式，交由USBD執(zhí)行，從而進(jìn)一步屏蔽了USBDI細(xì)節(jié)，方便客戶(hù)操作。(3)主機(jī)控制器層主機(jī)控制器是主機(jī)上的總線(xiàn)接口，完成主機(jī)與設(shè)備之間的電氣連接和協(xié)議匹配?？偩€(xiàn)控制器在串行的電纜線(xiàn)上生成1ms周期的幀，將發(fā)送的數(shù)據(jù)組織成包發(fā)往總線(xiàn)，或接收總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)送往緩沖區(qū)，并對(duì)傳輸錯(cuò)誤進(jìn)行處理，等等。

第五十六頁(yè)，共八十七頁(yè)，2022年，8月28日2.主機(jī)控制器HC及其功能

USB主機(jī)控制器位于USB層次結(jié)構(gòu)的最低層，其主要功能如下。(1)幀生成USB總線(xiàn)在時(shí)間上由周期為1ms的幀組成。每幀開(kāi)始由幀起始包SOF標(biāo)識(shí)，主機(jī)控制器以1mS為周期產(chǎn)生SOF包。SOF包具有訪問(wèn)總線(xiàn)的最高優(yōu)先權(quán)，在SOF包期間，總線(xiàn)上的其它一切活動(dòng)都停止。SOF包還用于主機(jī)與設(shè)備之間的同步。(2)并-串轉(zhuǎn)換USB數(shù)據(jù)傳輸在主機(jī)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與USB設(shè)備之間進(jìn)行。

主機(jī)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是以字節(jié)為基本單位的并行數(shù)據(jù)，在向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)控制器HC必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行格式送上USB電纜，形成比特流串行傳送。反之從設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，HC必須將串行的比特流轉(zhuǎn)換成并行格式送往數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲(chǔ)。若USB設(shè)備是并行設(shè)備，通信時(shí)設(shè)備端的串-并轉(zhuǎn)換由USB設(shè)備自身控制邏輯完成。(3)定義數(shù)據(jù)格式、插入?yún)f(xié)議信息定義、設(shè)置主機(jī)與設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的具體格式。HC向輸出的數(shù)據(jù)中插入?yún)f(xié)議信息，比如地址、CRC校驗(yàn)碼等。(4)處理傳輸錯(cuò)誤在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)超時(shí)錯(cuò)、CRC校驗(yàn)錯(cuò)、位插入錯(cuò)、協(xié)議錯(cuò)等錯(cuò)誤時(shí)，主機(jī)控制器必須能檢測(cè)到并做相應(yīng)處理