串行接口及可編程接口芯片

（優(yōu)選）串行接口及可編程接口芯片現(xiàn)在是1頁\一共有42頁\編輯于星期一

10.1串行傳輸?shù)幕靖拍?0.1.1串行通信的基本概念

在計算機數(shù)據(jù)通信中，有兩種基本的數(shù)據(jù)傳送方式：串行通信與并行通信。

串行通信:計算機之間以及計算機與一些常用的外部設備之間的數(shù)據(jù)交換，往往需要采用串行通信的方式。在計算機遠程通信中，串行通信更是一種不可缺少的通信方式。串行通信中只需要一條數(shù)據(jù)傳輸線，所以串行通信可以節(jié)省傳送線。在位數(shù)較多、傳輸距離較長的情況下，這個優(yōu)點更為突出，但串行通信的速度比并行通信的的速度要低的多。現(xiàn)在是2頁\一共有42頁\編輯于星期一串行通信的特點:

數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，只占用一條傳輸線，它可由兩種方式來實現(xiàn)：一種是依靠軟件來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳送(如圖10-1所示中的D0-D7中的某一位,按一定的時間間隔來把數(shù)據(jù)轉變成序列脈沖的形式)；另一種是通過專用的通信接口，將并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)。并行通信的特點:

數(shù)據(jù)有多少位就要有多少傳輸線，所以數(shù)據(jù)線較多。現(xiàn)在是3頁\一共有42頁\編輯于星期一D0D0D1D1D6D6D7D7RDYSTB8位數(shù)據(jù)線發(fā)送方接收方并行傳送方式1100101001010110發(fā)送方接收方圖10-1串行傳送方式在并行通信與串行通信之間的對比關系現(xiàn)在是4頁\一共有42頁\編輯于星期一2.串行數(shù)據(jù)傳送方式

圖10-2串行通信中數(shù)據(jù)的傳送模式(a)單工通信模式(b)半雙工通信模式(c)全雙工通信模式現(xiàn)在是5頁\一共有42頁\編輯于星期一

(1)單工(Simplex)通信模式：該模式僅能進行一個方向的數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)只能從發(fā)送器A發(fā)送到接收器B。

(2)半雙工(HalfDuplex)通信模式：該模式能夠在設備A和設備B之間交替地進行雙向數(shù)據(jù)傳送。即數(shù)據(jù)可以在一個時刻從設備A傳送到設備B，而另一時刻可以從設備B傳送到設備A，但不能同時進行。

(3)全雙工(FullDuplex)通信模式：該模式下設備A或B均能在發(fā)送的同時接收數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在是6頁\一共有42頁\編輯于星期一3.數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率是指每秒鐘傳送的二進制位數(shù)。設計算機數(shù)據(jù)傳送的速率是120字符/s，而每個字符假設有10個比特(bit)位(包括1個起始位、7個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和1個停止位)，則其波特率為：120字符/s10bit/字符=1200bit/s=1200波特每個數(shù)據(jù)位的傳送時間Td為波特率的倒數(shù)：

Td＝1/1200＝0.000833s＝0.833ms

最常用的波特率有110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600和19200。通常用選定的波特率除以10來估計每秒鐘可以傳送的字符數(shù)。4.發(fā)送/接收時鐘用時鐘來檢測每一位數(shù)據(jù)的位寬度。5.波特率因子K：每BIT占用的時鐘周期數(shù)。

K=接接收或發(fā)送時鐘頻率/比特率, 可取1，16，32，64現(xiàn)在是7頁\一共有42頁\編輯于星期一例1：一個異步串行發(fā)送器，發(fā)送具有8位數(shù)據(jù)位的字符，在系統(tǒng)中使用一個奇偶校驗位和兩個停止位。若每秒發(fā)送100個字符，則其波特率為多少？100*（1+8+1+2）=1200bps例2：一個異步串行發(fā)送器，發(fā)送具有7位數(shù)據(jù)位的字符,傳送波特率為1800，字符格式為：1個奇偶校驗位，1個停止位，問，十秒鐘內傳送了多少個字符?

10*1800/(1+7+1+1)=180000/10/10/111起始位數(shù)據(jù)位校驗位停止位一個字符格式現(xiàn)在是8頁\一共有42頁\編輯于星期一數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，要求傳送線的頻帶很寬，若傳輸帶寬很窄，直接傳輸數(shù)字信號，信號就要發(fā)生畸變。

因此，需用調制器將數(shù)字信號轉換成模擬信號，經(jīng)傳輸后再用解調器將其轉換成數(shù)字信號。信號的調制與解調根據(jù)載波Asin(t+)的三個參數(shù)：幅度、頻率、相位，常用的調制技術：幅度調制Amplitude-Modulating(AM)頻移鍵控法Frequency-ShiftKeying(FSK)現(xiàn)在是9頁\一共有42頁\編輯于星期一用調幅正弦波表示數(shù)字1和0用兩種不同頻率正弦波表示數(shù)字1和0現(xiàn)在是10頁\一共有42頁\編輯于星期一5．串行通信的格式在數(shù)據(jù)通信中為使收、發(fā)信息準確，收發(fā)兩端的動作必須相互協(xié)調配合。這種協(xié)調收發(fā)之間動作的措施稱為“同步”。在串行通信中數(shù)據(jù)傳送的“同步”方式有異步傳送和同步傳送兩種。（1）異步通信異步傳送，是指發(fā)送設備和接收設備在約定的波特率(每秒鐘傳送的位數(shù))下，不需要嚴格的同步，允許有相對的延遲。即兩端的頻率差別在1/10以內，就能正確地實現(xiàn)通信。在進行異步傳送時必須確定字符格式及波特率?，F(xiàn)在是11頁\一共有42頁\編輯于星期一1）字符格式：在異步通信中，兩個計算機之間如正確的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸必須滿足下面的兩個規(guī)定：

（1）字符格式：字符格式即字符的編碼形式及規(guī)定。如規(guī)定每個傳送的數(shù)據(jù)字符由四個部分組成：1個起始位、5～8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位以及1～2個停止位。圖10-3示出了這種串行字符編碼格式。起始位后面，緊跟著要傳送字符的最低位，每個字符的結束，是一個高電平的停止位。起始位至停止位構成一幀。現(xiàn)在是12頁\一共有42頁\編輯于星期一

異步通信的字符格式：字符格式即字符的編碼形式及規(guī)定圖10-3A異步傳送數(shù)據(jù)格式(a)有空閑位；(b)無空閑位現(xiàn)在是13頁\一共有42頁\編輯于星期一圖10-3C起始位至兩個停止位構成一幀的異步傳送格式現(xiàn)在是14頁\一共有42頁\編輯于星期一字符格式中個位的意義：起始位：每個字符的開始必須是持續(xù)一個比特(一位)時間的邏輯“0”電平，標志著一個字符的開始。數(shù)據(jù)位：有58位，緊跟起始位之后，是字符中的有效數(shù)據(jù)位。傳送字符時，先送低位，后送高位。奇偶校驗位：僅占一位?？筛鶕?jù)需要設置為奇校驗或偶校驗，也可以不設校驗位。停止位：可設置為1位、1.5位或2位，并規(guī)定為邏輯“1”狀態(tài)。

現(xiàn)在是15頁\一共有42頁\編輯于星期一異步傳送數(shù)據(jù)格式下傳送的過程：

每個字符傳送前，其傳輸線上必須處于高電平“1”狀態(tài)，這樣，當傳輸線由“1”變?yōu)椤?”狀態(tài)，并持續(xù)1比特時間時，就表明是字符的起始位，下面?zhèn)魉偷奈恍畔⒈厝皇怯行?shù)據(jù)位信息。當一個字符傳送完后，立即傳送下一個字符，下一個字符的起始位緊挨前一個字符的停止位(即無空閑位)，如圖10-3(b)所示。如后續(xù)數(shù)據(jù)跟不上，則在停止位后加高電平的空閑位等待下一個字符的到來，如圖10-2(A)（B）所示?，F(xiàn)在是16頁\一共有42頁\編輯于星期一（2）同步通信同步傳送是指去掉異步傳送時每個字符的起始位和停止位，僅在數(shù)據(jù)塊開始處用12個同步字符來表示數(shù)據(jù)塊傳送的開始，然后串行的數(shù)據(jù)塊信息以連續(xù)的形式發(fā)送，每個發(fā)送時鐘周期發(fā)送一位信息，故同步傳送中要求對傳送信息的每一位都必須在收、發(fā)兩端嚴格保持同步，實現(xiàn)“位同步”。同步傳送時一次通信傳送信息的位數(shù)幾乎不受限制，通常一次通信傳送的數(shù)據(jù)可達幾十到幾百個字節(jié)。這種通信的發(fā)送器和接收器比較復雜，成本較高。用于同步通信的數(shù)據(jù)格式有很多種，圖11-4給出了常見的幾種。圖中，除數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)不受限制外，其他均為8位。

現(xiàn)在是17頁\一共有42頁\編輯于星期一圖10-4同步傳送數(shù)據(jù)格式(a)單同步數(shù)據(jù)格式；(b)雙同步數(shù)據(jù)格式圖(a)為單同步數(shù)據(jù)格式，傳送一幀數(shù)據(jù)僅使用一個同步字。當接收端檢測到一個完整的同步字后，就連續(xù)接收數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)結束，便進行16位的循環(huán)冗余校驗(CyclicRedundancyCheck)——CRC校驗，以校驗所傳送的數(shù)據(jù)中是否出現(xiàn)錯誤。圖(b)為雙同步數(shù)據(jù)格式，這時利用兩個同步字進行同步?，F(xiàn)在是18頁\一共有42頁\編輯于星期一10.2可編程串行接口芯片8251A一、8251A的基本性能8251A是可編程的串行通信接口芯片，基本性能：1．兩種工作方式：同步方式，異步方式。同步方式下，波特率為0~64K，異步方式下，波特率為0~19.2K。2．同步方式下的格式每個字符可以用5、6、7或8位來表示，并且內部能自動檢測同步字符，從而實現(xiàn)同步。除此之外，8251A也允許同步方式下增加奇/偶校驗位進行校驗。3．異步方式下的格式每個字符也可以用5、6、7或8位來表示，時鐘頻率為傳輸波特率的1、16或64倍，用1位作為奇/偶校驗。1個啟動位。并能根據(jù)編程為每個數(shù)據(jù)增加1個、1．5個或2個停止位?？梢詸z查假啟動位，自動檢測和處理終止字符。4．全雙工的工作方式其內部提供具有雙緩沖器的發(fā)送器和接收器。5．提供出錯檢測具有奇偶、溢出和幀錯誤三種校驗電路?，F(xiàn)在是19頁\一共有42頁\編輯于星期一二、內部結構發(fā)送緩沖器數(shù)據(jù)總線緩沖器調制解調控制電路DB讀/寫邏輯RESETCLKRDWRC/DCSDSRDTRCTSRTS發(fā)送控制電路接收緩沖器接收控制電路RxDTxDTxRDYTxETxCRxRDYRxCSYNDET狀態(tài)緩沖器、接收數(shù)據(jù)緩沖器、發(fā)送數(shù)據(jù)/命令緩沖器現(xiàn)在是20頁\一共有42頁\編輯于星期一1、發(fā)送器發(fā)送器由發(fā)送緩沖器和發(fā)送控制電路兩部分組成。

采用異步方式，則由發(fā)送控制電路在其首尾加上起始位和停止位，然后從起始位開始，經(jīng)移位寄存器從數(shù)據(jù)輸出線TXD逐位串行輸出。采用同步方式，則在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送器將自動送出1個或2個同步字符，然后才逐位串行輸出數(shù)據(jù)。如果CPU與8251A之間采用中斷方式交換信息，那么TxRDY可作為向CPU發(fā)出的中斷請求信號。當發(fā)送器中的8位數(shù)據(jù)串行發(fā)送完畢時，由發(fā)送控制電路向CPU發(fā)出TxE有效信號，表示發(fā)送器中移位寄存器已空?，F(xiàn)在是21頁\一共有42頁\編輯于星期一2．接收器接收器由接收緩沖器和接收控制電路兩部分組成。接收移位寄存器從RxD引腿上接收串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)后存入接收緩沖器。異步方式：在RxD線上檢測低電平，將檢測到的低電平作為起始位，8251A開始進行采樣，完成字符裝配，并進行奇偶校驗和去掉停止位，變成了并行數(shù)據(jù)后，送到數(shù)據(jù)輸入寄存器，同時發(fā)出RxRDY信號送CPU，表示已經(jīng)收到一個可用的數(shù)據(jù)。同步方式：首先搜索同步字符。8251A監(jiān)測RxD線，每當RxD線上出現(xiàn)一個數(shù)據(jù)位時，接收下來并送入移位寄存器移位，與同步字符寄存器的內容進行比較，如果兩者不相等，則接收下一位數(shù)據(jù)，并且重復上述比較過程。當兩個寄存器的內容比較相等時，8251A的SYNDET升為高電平，表示同步字符已經(jīng)找到，同步已經(jīng)實現(xiàn)?，F(xiàn)在是22頁\一共有42頁\編輯于星期一采用雙同步方式，就要在測得輸入移位寄存器的內容與第一個同步字符寄存器的內容相同后，再繼續(xù)檢測此后輸入移位寄存器的內容是否與第二個同步字符寄存器的內容相同。如果相同，則認為同步已經(jīng)實現(xiàn)。實現(xiàn)同步之后，接收器和發(fā)送器間就開始進行數(shù)據(jù)的同步傳輸。這時，接收器利用時鐘信號對RxD線進行采樣，并把收到的數(shù)據(jù)位送到移位寄存器中。在RxRDY引腳上發(fā)出一個信號，表示收到了一個字符。3．數(shù)據(jù)總線緩沖器數(shù)據(jù)總線緩沖器是CPU與8251A之間的數(shù)據(jù)接口。包含3個8位的緩沖寄存器：兩個寄存器分別用來存放CPU向8251A讀取的數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。一個寄存器用來存放CPU向8251A寫入的數(shù)據(jù)或控制?，F(xiàn)在是23頁\一共有42頁\編輯于星期一4．讀/寫控制電路讀/寫控制電路用來配合數(shù)據(jù)總線緩沖器的工作。功能如下：(1)接收寫信號，并將來自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)和控制字寫入8251A；(2)接收讀信號，并將數(shù)據(jù)或狀態(tài)字從8251A送往數(shù)據(jù)總線；(3)接收控制/數(shù)據(jù)信號C/D*，高電平時為控制字或狀態(tài)字；低電平時為數(shù)據(jù)。(4)接收時鐘信號CLK完成8251A的內部定時；(5)接收復位信號RESET，使8251A處于空閑狀態(tài)。5．調制解調控制電路調制解調控制電路用來簡化8251A和調制解調器的連接?，F(xiàn)在是24頁\一共有42頁\編輯于星期一三．8251A的引腳功能1、8251A和CPU之間的連接信號現(xiàn)在是25頁\一共有42頁\編輯于星期一8251A和CPU之間的連接信號可以分為四類：

片選信號

?CS*：片選信號，它由CPU的地址信號通過譯碼后得到。數(shù)據(jù)信號D0-D7：8位，三態(tài)，雙向數(shù)據(jù)線，與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連。傳輸CPU對8251A的編程命令字和8251A送往CPU的狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)。讀/寫控制信號?RD*：讀信號，低電平時，CPU當前正在從8251A讀取數(shù)據(jù)或者狀態(tài)信息。?WR*：寫信號，低電乎時，CPU當前正在往8251A寫入數(shù)據(jù)或者控制信息。?C/D*：控制/數(shù)據(jù)信號，用來區(qū)分當前讀/寫的是數(shù)據(jù)還是控制信息或狀態(tài)信息。該信號也可看作是8251A數(shù)據(jù)口/控制口的選擇信號。P332表10.18251A的操作信號現(xiàn)在是26頁\一共有42頁\編輯于星期一收發(fā)聯(lián)絡信號TxRDY：發(fā)送器準備好信號，用來通知CPU，8251A已準備好發(fā)送一個字符。TxEMPTY：發(fā)送器空信號，TxEMPTY為高電平時有效，用來表示此時8251A發(fā)送器中并行到串行轉換器空，說明一個發(fā)送動作已完成。RxRDY：接收器準備好信號，用來表示當前8251A已經(jīng)從外部設備或調制解調器接收到一個字符，等待CPU來取走。因此，在中斷方式時，RxRDY可用來作為中斷請求信號；在查詢方式時，RxRDY可用來作為查詢信號。SYNDET：同步檢測信號，只用于同步方式。

現(xiàn)在是27頁\一共有42頁\編輯于星期一8251A與外部設備之間的連接信號分為兩類：(1)收發(fā)聯(lián)絡信號

?DTR*：數(shù)據(jù)終端準備好信號，通知外部設備，CPU當前已經(jīng)準備就緒。?DSR*：數(shù)據(jù)設備準備好信號，表示當前外設已經(jīng)準備好。?RTS*：請求發(fā)送信號，表示CPU已經(jīng)準備好發(fā)送。?CTS*：允許發(fā)送信號，是對的響應，由外設送往8251A。實際使用時，這4個信號中通常只有必須為低電平，其它3個信號可以懸空。(2)數(shù)據(jù)信號?TxD：發(fā)送器數(shù)據(jù)輸出信號。當CPU送往8251A的并行數(shù)據(jù)被轉變?yōu)榇袛?shù)據(jù)后，通過TxD送往外設。?RxD：接收器數(shù)據(jù)輸入信號。用來接收外設送來的串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進入8251A后被轉變?yōu)椴⑿蟹绞健，F(xiàn)在是28頁\一共有42頁\編輯于星期一四．8251A的編程編程的內容包括兩大方面：⑴是由CPU發(fā)出的控制字，即方式選擇控制字和操作命令控制字；⑵是由8251A向CPU送出的狀態(tài)字。1．方式選擇控制字（模式字）方式選擇控制字的格式如圖所示?，F(xiàn)在是29頁\一共有42頁\編輯于星期一1．方式選擇控制字（設定8251的工作方式）現(xiàn)在是30頁\一共有42頁\編輯于星期一2．操作命令控制字（控制字）操作命令控制字的格式如下：自動搜索同步字符使得端口TxD=08251的方式字和命令控制字寫入同一個端口，為了區(qū)別它們，在復位后寫入的是方式控制字，此后寫入的是命令控制字，且在對芯片復位以前，寫入的都是命令控制字。現(xiàn)在是31頁\一共有42頁\編輯于星期一3、狀態(tài)字（CPU讀取8251的工作情況）現(xiàn)在是32頁\一共有42頁\編輯于星期一【例1】若要查詢8251A接收器是否準備好，則可用下列程序段完成：MOVDX，0FFF2H；狀態(tài)口L：INAL，DX；讀狀態(tài)口ANDAL，02H；查D1＝1？即接收器準備好了嗎？JZL；未準備好，則等待MOVDX，OFFF0H；數(shù)據(jù)口INAL，DX；已準備好則輸入數(shù)據(jù)現(xiàn)在是33頁\一共有42頁\編輯于星期一4．8251A的初始化芯片復位以后，第一次用奇地址端口寫入的值作為方式字進入方式寄存器。如果方式字中規(guī)定了8251A工作在同步模式，由CPU用奇地址端口寫入的值將作為控制字送到控制寄存器，而用偶地址端口寫入的值將作為數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)輸出緩沖寄存器。流程圖如下：現(xiàn)在是34頁\一共有42頁\編輯于星期一1．異步模式下的初始化程序舉例設8251A工作在異步模式，波特率系數(shù)(因子)為16，7個數(shù)據(jù)位/字符，偶校驗，2個停止位，發(fā)送、接收允許，設端口地址為00E2H和00E4H。完成初始化程序?！痉治觥扛鶕?jù)題目要求，可以確定模式字為：11111010B即FAH而控制字為：00110111B即37H則初始化程序如下：現(xiàn)在是35頁\一共有42頁\編輯于星期一MOVAL，0FAH；送模式字MOVDX，00E2HOUTDX，AL；異步方式，7位/字符，；偶校驗，2個停止位MOVAL，37H；設置控制字，使發(fā)送、接收允許，；清出錯標志，使RTS*、DTR*有效；OUTDX，AL

現(xiàn)在是36頁\一共有42頁\編輯于星期一2．同步模式下初始化程序舉例設端口地址為52H，采用內同步方式，2個同步字符（設同步字符為16H），偶校驗，7位數(shù)據(jù)位/字符?！痉治觥扛鶕?jù)題目要求，可以確定模式字為：00111000B即38H而控制字為：10010111B即97H。它使8251A對同步字符進行檢索；同時使狀態(tài)寄存器中的3個出錯標志復位；此外，使8251A的發(fā)送器啟動，接收器也啟動；控制字還通知8251A，CPU當前已經(jīng)準備好進行數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)在是37頁\一共有42頁\編輯于星期一具體程序段如下：

MOVAL，38H；設置模式字，同步模式，用2個同步字符，OUT52H，AL；7個數(shù)據(jù)位，偶校驗MOVAL，16HOUT52H，AL；送同步字符16HOUT52H，ALMOVAL，97H；設置控制字，使發(fā)送器和接收器啟動OUT52H，AL現(xiàn)在是38頁\一共有42頁\編輯于星期一3、兩臺微型計算機通過8251A相互通信的舉例

通過8251A實現(xiàn)相距較遠的兩臺微型計算機相互通信的系統(tǒng)連接簡化框圖如下。這時，利用兩片8251A通過標準串行接口RS-232C實現(xiàn)兩臺8086微機之問的串行通信，可采用異步或同步工作方式?，F(xiàn)在是39頁\一共有42頁\編輯于星期一【分析】

設系統(tǒng)采用查詢方式控制傳輸過程，異步傳送。初始化程序由兩部分組成：⑴是將一方定義為發(fā)送器。發(fā)送端CPU每查詢到TXRDY有效，則向8251A并行輸出一個字節(jié)數(shù)據(jù)；⑵是將對方定義為接收器。接收端CPU每查詢到RXRDY有效，則從8251A輸入一個字節(jié)數(shù)據(jù)，一直進行到全部數(shù)據(jù)傳送完畢為止。發(fā)送端初始化程序與發(fā)送控制程序如下所示：STT：MOVDX，8251A控制端口MOVAL，7FH

OUTDX，AL；將825lA定義為異步方式，8位數(shù)據(jù)，1位停止位MOVAL，11H；偶校驗，取波特率系數(shù)為64，允許發(fā)送。